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초단파 레이저 펄스 생성으로 전자의 움직임 관찰

아토초 물리학으로 노벨 물리학상 수상
초단파 레이저 펄스의 생성만으로 전자의 움직임을 볼 수 있다.

전자에 대한 새로운 시각:
2023년 노벨 물리학상은 이전에는 측정하기에는 너무 빠르다고 여겨졌던 원자 껍질 내 전자의 양자 점프와 움직임을 기록할 수 있는 연구자 3명에게 돌아갔다. 그들이 개발한 아토초 레이저 펄스는 스트로보스코프처럼 전자의 반응을 가시화할 수 있다. 수상자인 Anne L'Huillier, Pierre Agostini 및 Ferenc Krausz는 오늘날 의학, 재료 연구 및 화학 분야에서 없어서는 안 될 분석 기술의 기반을 마련했다. 

▲ 아토초 레이저 펄스를 생성하려면 특수 구조와 희가스 원자가 필요다. © MPI für Quantenoptik/ Thorsten Naeser

1905년에 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 빛과 물질 사이의 상호 작용의 중요한 측면인 광전 효과에 대한 물리적 설명을 발표했다. 이에 따르면 원자에 광자가 조사되면 원자는 에너지를 흡수하고 전자는 더 높은 에너지 상태로 변한다. 이러한 양자 점프는 각 원소와 분자에 따라 다르며 흡수된 에너지에 따라 달라진다. 극단적인 경우, 에너지가 너무 높아서 하나 이상의 전자가 궤도 밖으로 완전히 튀어나와 원자가 이온이 된다.

모든 측정 장비에 비해 너무 빠르다.

문제는 전자의 상태 변화가 너무 빨리 일어나서 오랫동안 거의 즉각적인 것으로 간주되었다는 것이다. “전자의 세계에서는 수십 아토초 안에 변화가 일어난다. 1아토초(attosecond;100경분의 1초)는 너무 짧아서 우주가 시작된 이래로 지난 초의 수만큼 1초에 들어갈 수 있다”고 노벨상 위원회는 밝혔다.

그러나 오랫동안 이렇게 짧고 충분히 짧은 파장의 광 펄스를 생성할 수 있는 레이저는 없었다. "펨토초 미만의 지속 시간을 갖는 펄스의 경우 극자외선 레이저 광이 필요하다"고 가싱(Garching)에 있는 Max Planck Institute for Quantum Optics의 수상자인 Ferenc Kraus는 설명했다. "더 짧은 펄스를 생성하려면 X선 빛 주위에는 방법이 없다." 따라서 세 명의 노벨상 수상자들이 성취할 때까지는 전자의 움직임을 추적하는 것이 불가능했다. 이를 위한 도구나 측정 도구가 없었다.

원자 껍질의 양자 점프와 이온화 중에 정확히 무슨 일이 일어나고 이것이 다른 원소와 분자에 따라 어떻게 다른지는 아직 불분명하다.

▲ 2023년 노벨 물리학상 수상자: Pierre Agostini, Ferenc Krausz 및 Anne L'Huillier. © Nobelprize.org

"배음"으로 구성된 주파수 안정기

Lund University의 Anne L'Huillier와 그녀의 팀은 1987년 비활성 기체를 이용한 레이저 실험에서 이 문제를 해결하기 위한 첫 번째 단계를 밟았다. 그들은 강렬한 적외선 레이저 빔이 비활성 가스 원자 구름을 통해 빛날 때 다양한 주파수 "배음"이 생성된다는 것을 발견했다. 이러한 배음의 방출 강도는 처음에는 증가했지만, 상대적으로 넓은 주파수 범위에서 동일하게 유지된 후 급격히 떨어졌다.

그런데 소위 "고조파"라고 불리는 이러한 정체 현상을 만드는 것은 무엇일까? L'Huillier와 동료들은 이론적 계산과 모델을 통해 설명을 제공했다. 이에 따르면 레이저 충격은 먼저 희소가스 원자의 이온화를 유발하고 전자가 방출된다. 그러나 레이저장의 위상이 바뀌자마자 전자는 역전되어 원자와 재결합한다. 단파장, 고에너지 X선 또는 극자외선 광자가 방출된다.

이 과정이 여러 번 반복되기 때문에 이러한 광자는 짧고 규칙적인 간격으로 방출된다. 이것은 처음으로 매우 짧은 간격으로 규칙적이고 표준화된 광 펄스를 생성하는 방법을 열었다. 이것이 아토초 레이저 측정의 기초다.

▲ 아토초 레이저 펄스는 방사선이 비활성 기체 원자 구름을 통과할 때 발생하는 레이저 광의 주파수 배음의 일종인 "고조파"를 중첩하여 생성할 수 있다. © Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences

첫 번째 아토초 펄스

두 명의 수상자인 콜럼버스에 있는 오하이오 주립 대학의 Pierre Agostini와 Garching에 있는 Max Planck Institute for Quantum Optics의 Ferenc Krausz는 동시에 다음 단계를 위한 기술 요구 사항을 개발했다. Agostini와 그의 팀은 소위 RABBIT 기술(Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of Two-Photon Transitions)을 개발했다. 이를 통해 비활성 가스 구름을 조사하여 아토초 펄스를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 펄스의 지속 시간을 측정할 수도 있다.

2001년에 Agostini와 그의 동료들은 이 RABBIT 기술을 사용해 각각 길이가 250아토초에 불과한 일련의 UV 레이저 펄스를 처음으로 생성할 수 있었다. 동시에 당시 비엔나 기술 대학에 있던 Krausz와 그의 팀은 아토초 레이저를 연구하고 있었으며 특수 코팅된 XUV 거울과 소위 스트리킹 기술을 사용하여 650아토초 길이의 레이저 펄스를 생성했다.

양자 점프의 최초 측정

얼마 후 크라우스와 그의 동료들은 네온 원자가 이온화되는 동안 전자 방출에 필요한 시간을 측정하는 데 처음으로 성공했다. 그들은 전자 방출이 순간적으로 일어나는 것이 아니라 전자 궤도와 원소에 따라 달라지는 시간 지연을 가지고 일어난다는 것을 증명할 수 있었다. 2p 오비탈에서 나온 전자는 2s 오비탈에서 방출된 전자보다 21아토초 더 느리다.

L'Huillier와 그녀의 팀은 실험을 더욱 개선했으며 이전에 실험과 이론 모델 사이의 불일치를 초래했던 교란 효과를 수정할 수 있었다. 동시에, 그들은 측정에 기초하여 네온의 두 궤도에 있는 전자의 결합 에너지도 결정했다.

노벨상 위원회는 “원자물리학에서 다소 좁게 초점을 맞춘 다광자 과정 분야로 시작된 것이 이제 분자물리학, 물리화학, 고체물리학, 응용 분야 등 다양한 분야에서 가능한 것의 경계를 확장했다”고 설명했다. 오늘날 아토초 분광법과 원자 및 물질의 전자 움직임 측정 없이는 이러한 영역을 상상하기 어렵다.
출처: Nobelprize.org

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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