물질 속에서 크기가 1나노미터(nm, 10억 분의 1m)도 되지 않는 원자의 운동속도는 초당 1km에 달한다. 찰나의 순간 아주 작은 입자의 움직임과 진동을 측정하려면 극도로 짧은 시간 빛을 쪼여 변화를 관찰하는 방법밖에 없다. 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 빛을 쪼아주어야만 이런 입자가 변화하는 모습을 정확하게 관찰할 수 있다.

화학과 주태하 교수가 이끄는 극초고속 동역학 연구실은 극초단파 레이저 분광학을 이용해 작은 분자에서 큰 생물에 이르기까지 다양한 물질 속 양자의 찰나 움직임을 정확히 포착해내고 있다. 빛의 파장에 따른 물질의 반응 변화를 관찰하는 분광학을 이용해 양자가 에너지를 받아 들뜨는 양자동역학적 현상을 관찰한다. 서로 다른 양자가 간섭 특성을 갖는 ‘결맞음’ 현상을 관찰하는 것도 주된 연구 주제다.

양자의 움직임과 특성은 물체 속 분자가 다양한 화학반응을 일으키는 것과 연관돼있다. 예를 들어 태양광 에너지 변환에 쓰이는 전이금속착물은 태양광을 받아 에너지로 변환하는 과정에 양자동역학에 따라 움직인다. 망막의 광수용체 색소인 로돕신은 빛을 받으면 화학 반응을 일으켜 사람이 빛을 인지할 수 있도록 하는데 이때 핵의 파동함수가 측정에 영향을 준다는 것이 확인됐다.

이런 양자 영역을 관찰하기 위해서는 레이저의 주기인 펄스가 최소한 100펨토초 이하로 떨어져야 한다. 연구실은 전 세계에서 가장 높은 수준인 20펨토초 분해능을 가진 극초단 가시광선 광학파라메트릭 레이저를 개발해 분석에 활용하고 있다. 반응을 역으로 조절하는 레이저 장비도 개발하고 있다. 화학 반응을 변화시키는 데 필요한 에너지를 알면 역으로 레이저로 에너지를 줘 화학 반응을 일으키는 것도 가능하다.

연구실은 주 교수부터 학생들에 이르기까지 각자 자신만의 실험 장비를 갖추고 원하는 실험을 진행하고 있다. 누구나 마치 레고로 조립하듯 광학 부품을 하나하나 조립해 원하는 장비를 제작해 실험에 적용하는 노하우를 갖추고 있다. 연구실은 지난해 과학기술정보통신부 선도연구센터 사업에 ‘양자동역학연구센터’로 선정되는 등 양자동역학 분야 연구 우수성을 인정받고 있다.