2023년 10월 3일 저녁, 역사적인 발표를 통해 2023년 노벨 물리학상 수상자가 공개되었습니다. 이 상은 아토초 레이저 기술 분야의 선구자로서 중추적인 역할을 수행한 세 명의 과학자에게 수여되었습니다.

"아토초 레이저"라는 용어는 작동 시간 단위가 극히 짧다는 점에서 유래되었으며, 구체적으로는 10⁻¹⁸초에 해당하는 아토초 단위입니다. 이 기술의 심오한 의미를 이해하려면 아토초가 무엇을 의미하는지 근본적으로 이해하는 것이 필수적입니다. 아토초는 1초의 10억분의 1에 해당하는 극히 작은 시간 단위입니다. 이를 비유적으로 설명하자면, 1초를 거대한 산에 비유할 때, 아토초는 산기슭에 놓인 모래알 하나에 비유할 수 있습니다. 이처럼 찰나의 시간 동안 빛조차도 원자 하나의 크기 정도의 거리밖에 이동할 수 없습니다. 아토초 레이저를 활용함으로써 과학자들은 원자 구조 내 전자의 복잡한 역학을 마치 영화의 한 장면을 슬로우 모션으로 재생하는 것처럼 면밀히 조사하고 조작할 수 있는 전례 없는 능력을 얻게 되었으며, 이를 통해 전자들의 상호 작용을 깊이 있게 탐구할 수 있게 되었습니다.

아토초 레이저이는 과학자들이 비선형 광학의 원리를 활용하여 초고속 레이저를 개발하기 위해 기울인 광범위한 연구와 공동의 노력의 결실을 나타냅니다. 이러한 레이저의 등장으로 우리는 원자, 분자, 심지어 고체 물질 속 전자 내부에서 일어나는 역동적인 과정을 관찰하고 탐구할 수 있는 혁신적인 관점을 얻게 되었습니다.

아토초 레이저의 본질을 규명하고 기존 레이저와 비교했을 때 그 독특한 특성을 이해하기 위해서는 먼저 아토초 레이저를 더 넓은 의미의 "레이저 계열"로 분류하는 것이 필수적입니다. 파장에 따른 분류에서 아토초 레이저는 주로 자외선에서 연엑스선 주파수 범위에 속하며, 이는 기존 레이저에 비해 파장이 현저히 짧다는 것을 의미합니다. 출력 모드 측면에서 아토초 레이저는 펄스 레이저의 한 종류로, 매우 짧은 펄스 지속 시간을 특징으로 합니다. 이해를 돕기 위해 비유하자면, 연속파 레이저는 지속적인 빛을 내는 손전등과 같고, 펄스 레이저는 밝음과 어두움이 빠르게 번갈아 나타나는 스트로보 조명과 같습니다. 본질적으로 아토초 레이저는 밝음과 어두움 사이에서 펄스 형태를 보이지만, 두 상태 사이의 전환이 놀라울 정도로 빠른 속도, 즉 아토초 단위로 일어납니다.

레이저는 출력에 따라 저출력, 중출력, 고출력으로 분류됩니다. 아토초 레이저는 극히 짧은 펄스 지속 시간 덕분에 높은 피크 출력을 달성하며, 이는 단위 시간당 에너지 강도로 정의되는 피크 출력(P=W/t)을 나타냅니다. 개별 아토초 레이저 펄스는 에너지(W) 자체는 크지 않을 수 있지만, 짧은 시간(t)으로 인해 높은 피크 출력을 갖게 됩니다.

응용 분야 측면에서 레이저는 산업, 의료 및 과학 분야를 아우르는 광범위한 스펙트럼을 가지고 있습니다. 아토초 레이저는 주로 과학 연구 분야, 특히 물리학 및 화학 분야에서 빠르게 변화하는 현상을 탐구하는 데 중요한 역할을 하며, 미시 세계의 신속한 역동적 과정을 들여다볼 수 있는 창을 제공합니다.

레이저 매질에 따른 분류는 레이저를 기체 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저 및 반도체 레이저로 구분합니다. 아토초 레이저는 일반적으로 기체 레이저 매질을 기반으로 하며, 비선형 광학 효과를 활용하여 고차 고조파를 생성합니다.

요약하자면, 아토초 레이저는 펄스 지속 시간이 극히 짧은(일반적으로 아토초 단위) 독특한 단펄스 레이저의 한 종류입니다. 이러한 특성 덕분에 아토초 레이저는 원자, 분자 및 고체 물질 내 전자의 초고속 동적 과정을 관찰하고 제어하는 ​​데 필수적인 도구가 되었습니다.

아토초 레이저 생성의 정교한 과정

아토초 레이저 기술은 과학 혁신의 최전선에 서 있으며, 그 생성 조건은 매우 까다롭고 흥미롭습니다. 아토초 레이저 생성의 복잡성을 명확히 하기 위해, 먼저 기본 원리를 간략하게 설명한 후 일상생활에서 가져온 생생한 비유를 통해 설명합니다. 관련 물리학에 익숙하지 않은 독자들도 걱정하지 마세요. 이어지는 비유들은 아토초 레이저의 기초 물리학을 쉽게 이해할 수 있도록 구성되어 있습니다.

아토초 레이저의 생성 과정은 주로 고조파 발생(HHG)이라는 기술에 기반합니다. 먼저, 고강도 펨토초(10⁻¹⁵초) 레이저 펄스 빔을 기체 표적 물질에 집중시킵니다. 펨토초 레이저는 아토초 레이저와 마찬가지로 짧은 펄스 지속 시간과 높은 피크 출력을 특징으로 합니다. 강한 레이저장의 영향으로 기체 원자 내의 전자들이 원자핵에서 순간적으로 분리되어 자유 전자 상태가 됩니다. 이 전자들은 레이저장에 반응하여 진동하다가 결국 원래 원자핵으로 돌아와 재결합하여 새로운 고에너지 상태를 생성합니다.

이 과정에서 전자는 매우 빠른 속도로 움직이며, 원자핵과 재결합할 때 고조파 방출 형태로 추가 에너지를 방출하여 고에너지 광자로 나타납니다.

새롭게 생성된 고에너지 광자의 주파수는 원래 레이저 주파수의 정수배이며, 이를 고차 고조파라고 합니다. 여기서 "고조파"는 원래 주파수의 정수배인 주파수를 의미합니다. 아토초 레이저를 얻기 위해서는 이러한 고차 고조파를 필터링하고 특정 고조파를 선택하여 초점에 집중시키는 과정이 필요합니다. 필요에 따라 펄스 압축 기술을 사용하여 펄스 지속 시간을 더욱 단축시켜 아토초 범위의 초단펄스를 생성할 수 있습니다. 분명히 아토초 레이저 생성은 고도의 기술력과 특수 장비를 요구하는 정교하고 다면적인 과정입니다.

이 복잡한 과정을 쉽게 이해할 수 있도록 일상생활에서 접할 수 있는 비유를 들어 설명하겠습니다.

고강도 펨토초 레이저 펄스:

고강도 펨토초 레이저 펄스처럼 엄청난 속도로 돌을 순식간에 날려 보낼 수 있는 매우 강력한 투석기를 가지고 있다고 상상해 보세요.

기체 표적 물질:

기체 표적 물질을 상징하는 잔잔한 수면을 상상해 보세요. 물방울 하나하나는 수많은 기체 원자를 나타냅니다. 이 수면에 돌을 던지는 행위는 고강도 펨토초 레이저 펄스가 기체 표적 물질에 미치는 영향과 유사합니다.

전자의 운동과 재결합(물리학적으로는 전이로 불림):

펨토초 레이저 펄스가 기체 표적 물질 내의 기체 원자에 충돌하면, 상당수의 외부 전자가 순간적으로 여기되어 각각의 원자핵에서 분리되어 플라즈마와 유사한 상태를 형성합니다. 이후 시스템의 에너지가 감소함에 따라(레이저 펄스는 본질적으로 정지 구간을 포함하는 펄스 형태이기 때문에), 이러한 외부 전자들은 원자핵 근처로 되돌아오면서 고에너지 광자를 방출합니다.

고조파 발생:

물방울이 호수 표면으로 떨어질 때마다 생기는 잔물결을 상상해 보세요. 이는 마치 아토초 레이저의 고조파와 같습니다. 이 잔물결은 펨토초 레이저 펄스에 의해 생성된 초기 잔물결보다 주파수와 진폭이 더 높습니다. 고차 조화파 발생(HHG) 과정에서는 마치 돌을 계속 던지는 것처럼 강력한 레이저 빔이 호수 표면과 유사한 기체 표적을 비춥니다. 이 강렬한 레이저장은 기체 속 전자를 마치 잔물결처럼 원자에서 멀리 떨어뜨렸다가 다시 끌어당깁니다. 전자가 원자로 돌아올 때마다 더 복잡한 잔물결 패턴처럼 더 높은 주파수의 새로운 레이저 빔을 방출합니다.

필터링 및 초점 맞추기:

이렇게 새롭게 생성된 레이저 빔들을 모두 합치면 다양한 색상(주파수 또는 파장)의 스펙트럼이 생성되는데, 이 중 일부가 아토초 레이저를 구성합니다. 특정 파동의 크기와 주파수를 분리하려면 원하는 파동을 선택하는 것과 유사하게 특수 필터를 사용하고, 돋보기를 이용하여 특정 영역에 초점을 맞출 수 있습니다.

맥박 압박(필요한 경우):

파동을 더 빠르고 짧게 전파하려면 특수 장치를 사용하여 전파 속도를 높여 각 파동의 지속 시간을 줄일 수 있습니다. 아토초 레이저 생성은 복잡한 과정들의 상호 작용을 통해 이루어지지만, 이를 세분화하여 시각화하면 훨씬 이해하기 쉬워집니다.