원자와 분자 내부 전자 세계를 탐구할 수 있는 새로운 방법과 도구를 고안한 물리학자들

2023년 노벨 물리학상은 원자와 분자 내부 전자 세계를 탐구할 수 있는 새로운 방법과 도구를 고안한 미국 콜럼버스 오하이오 주립대학교 피에르 아고스티니 (Prof. Pierre Agostini) 교수, 독일 가힝 막스 플랑크 양자 광학 연구소장 페렝크 크라우스 (Prof. Ferenc Krausz) 교수, 그리고 스웨덴 룬드대학교 앤 루이리에 (Anne L’Huillier) 교수 등 물리학자 3명에게 돌아갔다.

이들은 전자가 이동하거나 에너지가 변화하는 빠른 과정을 측정하는 데 사용할 수 있는 극도로 짧은 빛의 펄스를 생성하는 방법을 시연했으며 이는 자그마치 100경분의 1초에 해당하는 짧은 찰나로 이를 통해서 초미시 세계의 새로운 연구장을 열었다고 평가받는다.

100경분의 1초에 해당하는 찰나를 포착할 수 있는 빛, '아토초 펄스' 생성법을 찾아내 초미시 세계 연구의 새 장을 열다

정지된 이미지로 구성된 영화가 연속적인 움직임으로 인식되는 것처럼, 인간은 빠르게 움직이는 이벤트 역시 서로 연속적으로 흐르는 것처럼 인식한다. 따라서 아주 짧은 이벤트를 관측하고 연구하려면 특별한 기술이 필요하다. 특히, 전자의 세계에서는 100경분의 수십 초 정도 만에 반응이 일어난다. 이러한 아토초 (100경분의 1초) 세계는 우리가 빠르다고 인식하는 전자 장비들보다도 대략 10억 배 정도는 빠른 상상조차 불가능한 세계이다.

올해 노벨 물리학상 수상자들은 실험을 통해서 극도로 짧은 아토초 단위로 측정이 가능한 짧은 빛의 펄스를 생성하여 이러한 펄스가 원자와 분자 내부의 과정을 이미지로 제공하는 데 사용될 수 있음을 입증했다.

아토초 후속 연구 성과를 위한 토대를 마련한 앤 루이리에

1987년 앤 루이리에는 적외선 레이저 빛을 희귀 기체, 특히 다른 물질과 거의 반응하지 않는 불활성 기체에 투과할 때 다양한 빛의 울림 혹은 배음 (overtone: 마치 하나의 물결이 여러 개 동시에 생기듯 빛의 울림이 발생하는 현상) 현상이 발생한다는 사실을 발견했다.

레이저 빛이 특정 기체의 원자와 일부 전자에 에너지를 전달하며 상호 작용하여 전자와 핵의 결합이 느슨해지게 된다. 전자는 다시 핵에 붙잡히며 레이저로부터 전달받은 빛을 방출하기에 잔물결의 울림 같은 배음이 생기게 된다. 잔물결 같던 빛들의 파장이 마루와 골에서 중첩되면 더 큰 파도가 되며 마루와 골이 반대 방향이면 상쇄되어 사라진다. 이를 통해서 아토초 단위로 크게 요동치는 파도 같은 펄스를 만들 수 있게 된다. 앤 륄리에는 이 현상을 지속적으로 탐구하여 후속 연구 성과를 위한 토대를 마련했다.

실제로 아토초를 구현한 아고스티니 그리고 크라우츠

나머지 두 물리학자는 실제로 아토초를 구현했다. 2001년 피에르 아고스티니는 각 펄스가 250 아토초 동안 지속되는 일련의 연속적인 광 펄스를 생성하고 조사하는 데 성공했다. 동시에 페렌 크라우츠는 650 아토초 동안 지속되는 단일 광 펄스를 분리할 수 있는 또 다른 유형의 실험을 진행했다.

전자의 세계로 가는 문을 연 수상자들

수상자들의 공헌 덕분에 이전에는 따라잡을 수 없을 정도로 빠른 프로세스를 조사할 수 있게 되었으며, 이를 통해서 우리는 전자의 세계로 가는 문을 열 수 있게 되었다고 평가받는다.

이처럼 전자가 이동하거나 에너지가 변화하는 빠른 과정을 측정하는 데 사용할 수 있는 극도로 짧은 빛의 펄스를 이용하는 아토초 물리학은 전자가 지배하는 메커니즘을 이해할 수 있는 기회를 제공해 줄 수 있다. 특히 극히 짧은 시간 간격으로 전자의 움직임을 연구하며 원자핵과 전자의 결합력을 알 수 있다.

다음 단계는 이를 활용하는 것

노벨 물리학위원회 위원장인 에바 올슨(Eva Olsson)은 다음 단계는 이를 활용하는 것이라고 기대를 모았다. 다양한 분야에서 잠재적인 응용 분야가 있다. 예를 들어 전자공학에서는 전자가 물질에서 어떻게 작용하는지를 이해하고 제어하는 것이 중요하다. 반도체에서 일어나는 반응을 자세히 관측하여 성능 향상에 이용할 수 있다. 또한 의료 진단과 같이 다양한 분자와 여러 순간을 식별하는 데에도 아토초 펄스를 사용할 수 있다. 이처럼 아토초 물리학은 양자 컴퓨터 및 통신으로 대표되는 미래 양자 시대를 열고 이의 성공을 좌우할 수 있는 도구로 기대를 모으고 있다.

노벨 물리학상은 노벨이 가장 먼저 언급한 수상 분야

참고로 매년 스웨덴 스톡홀름에 있는 스웨덴 왕립 과학 아카데미에서 수여하는 노벨 물리학상은 1895년 알프레드 노벨이 유언장에서 가장 먼저 언급한 수상 분야이다. 19세기 말, 서양의 많은 사람들은 물리학을 과학 중 으뜸으로 여겼다고 한다. 노벨 역시 마찬가지였다고 알려져있으며 노벨 자신의 연구 역시 물리학과 밀접하게 연관이 있었다.