[2018 노벨물리학상] 애슈킨, 무루, 스트릭런드 : 빛으로 물체를 잡고, 궁극의 펄스를 만들다

 

 

 

📜 들어가며: 레이저, '도구'로 진화하다

 

20세기 후반, '레이저' [1964년 노벨상 원리]의 발명은 물리학의 풍경을 바꾸었습니다. 하지만 레이저가 발명되었을 때, 그것은 그저 '아주 깨끗한 빛'일 뿐, 그 자체로 강력한 '도구'는 아니었습니다. 과학자들은 이 새로운 빛을 어떻게 '활용'할지 탐구해야 했습니다.

1997년 노벨상의 주역들[추, 코앵타누지, 필립스]은 레이저로 원자를 '얼리는' 법을 알아냈습니다. 하지만 '얼리는' 것과 '붙잡는' 것은 달랐습니다. "빛으로 물체를 밀 수는 있지만[방사압], 어떻게 빛으로 물체를 붙잡을 [Trapping] 수 있을까?" 만약 '빛 손'으로 살아있는 세포나 박테리아를 집을 수 있다면, 생명 과학은 새로운 시대를 맞이할 것이었습니다.

동시에, 과학자들은 '가장 강력한' 레이저를 꿈꿨습니다. "아주 짧은 찰나[펨토초]에 어마어마한 에너지를 응축시킨 궁극의 망치를 만들 수는 없을까?" 하지만 여기엔 치명적인 '딜레마'가 있었습니다. 레이저 펄스를 증폭시키면, 그 펄스의 최대 출력 [Peak Power]이 너무 강력해져서, 정작 그 빛을 '증폭시키는' 레이저 매질[결정] 자체를 '파괴'해버렸습니다.

2018년 노벨 물리학상은, 이 두 개의 근본적인 '레이저 활용법'을 발명하여, 물리학과 의학, 생물학의 지평을 넓힌 세 명의 위대한 '빛의 마술사'들에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "레이저 물리학의 혁명적인 도구들"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2018년, 이 세 명의 공로를 인정하여 노벨상을 수여했습니다. 이 상은 '레이저 물리학'이라는 분야에서 가장 혁명적인 '도구'를 발명한 두 개의 다른 세대에게 나뉘었습니다.

상의 절반 [1/2]은 아서 애슈킨 [Arthur Ashkin]에게 수여되었습니다.

"그의 '광학 핀셋' [Optical Tweezers] 발명과, 이 기술을 생물학적 시스템에 적용한 공로를 기리며"

상의 나머지 절반 [1/2]은 제라르 무루 [Gérard Mourou]와 도나 스트릭런드 [Donna Strickland]에게 공동 수여되었습니다.

"매우 짧고 강력한 고강도 광학 펄스를 생성하는 그들의 방법을 개발한 공로를 기리며"

이 수상은 '빛'을 다루는 두 가지 궁극의 기술에 대한 찬사였습니다.

• 아서 애슈킨은 '빛'으로 '생명체'를 붙잡았습니다. 그는 광학 핀셋이라는 '빛의 손'을 발명하여, 박테리아, 바이러스, 심지어 DNA 가닥까지 손상 없이 조작하는 길을 열었습니다.
• 무루와 스트릭런드는 '빛'으로 '궁극의 힘'을 만들었습니다. 그들은 처프 펄스 증폭 [Chirped Pulse Amplification, CPA]이라는 천재적인 기술로, 레이저가 스스로를 파괴하지 않으면서도 페타와트[PW, 1000조 와트]급의 초강력 펄스를 만들어내는 방법을 발명했습니다. [이 기술은 라식 수술의 핵심입니다.]

 

🔬 [절반의 공로] 아서 애슈킨: '광학 핀셋', 빛으로 생명을 잡다

 

1960년대, 미국 '벨 연구소' [Bell Labs]의 아서 애슈킨은 '빛이 물체를 밀 수 있다' [방사압]는 오래된 아이디어에 매료되었습니다. 그는 1970년, 레이저 빔으로 '작은 유리 구슬'을 공중에 '띄우는' 데 성공했습니다.

하지만 그는 미는 힘 [Pushing force]만으로는 물체를 붙잡을 [Trapping] 수 없음을 알았습니다.

'빛의 그물'을 만들다

애슈킨의 천재성은 '빛의 세기' 차이에 주목한 데 있습니다. 레이저 빔은 빔의 '중심부'가 '가장자리'보다 빛이 더 강합니다.

그는 빛이 '굴절률'이 다른 매질[물체]을 통과할 때, 빛의 운동량이 변하며 물체에 '힘'을 가한다는 것을 깨달았습니다.

1. 작은 입자[세포]가 강력한 레이저 빔의 '중심'보다 약간 '가장자리'에 있다고 가정해봅시다.
2. 빛은 입자를 통과하며 '굴절'됩니다.
3. 이 굴절로 인해, 빛은 입자를 '밀어내는' 힘 [방사압]뿐만 아니라, 입자를 빔의 가장 밝은 중심부로 끌어당기는 구배력 [Gradient Force]을 동시에 가합니다.

마치 깔때기의 중심으로 구슬이 모이듯, 입자는 레이저 빔의 '초점'이라는 '덫'에 단단히 붙잡히게 됩니다. 이것이 바로 광학 핀셋 [Optical Tweezers]이었습니다.

1986년, 살아있는 생명을 잡다

애슈킨은 여기서 멈추지 않았습니다. 1986년, [1997년 노벨상 수상자인 스티븐 추가 합류] 그는 이 '광학 핀셋'으로 살아있는 박테리아와 바이러스를 붙잡는 데 성공했습니다.

레이저 빔은 생명체를 '죽이지 않고' 그 움직임을 완벽하게 제어했습니다. 이것은 생물학의 혁명이었습니다.

과학자들은 마침내 '손'으로 바이러스를 집어 옮기고, DNA 가닥의 양 끝을 잡아당겨 그 탄성을 측정하며, 세포 내부의 모터 단백질이 어떻게 움직이는지 관찰할 수 있게 되었습니다.

 

⚡️ [절반의 공로] 무루 & 스트릭런드: '궁극의 망치' [CPA]

 

1980년대 초, 물리학자들은 '짧고 강력한' 레이저 펄스를 원했습니다. 1초도 안 되는 '펨토초' [1000조 분의 1초] 동안에 모든 에너지를 쏟아붓는 '빛의 망치'가 필요했습니다.

하지만 앞서 말했듯, 이 '짧은' 펄스를 '강하게' 증폭시키려 하면, 그 '최대 출력' [Peak Power]이 너무 높아져 레이저의 증폭기 자체를 파괴했습니다. [마치 가느다란 호스에 소방차의 물을 통과시키려는 것과 같았습니다.]

CPA의 3단계 마법

1985년, 로체스터 대학의 교수 제라르 무루와, 그의 밑에서 박사학위 논문을 쓰고 있던 대학원생 도나 스트릭런드는 이 딜레마를 해결할 천재적인 '우회로'를 발명했습니다.

그것이 바로 처프 펄스 증폭 [Chirped Pulse Amplification, CPA]입니다.

1단계: 스트레칭 [Stretching] (시간 늘리기) "강력한 펄스를 증폭시키기 어렵다면, '약한' 펄스로 만들면 된다."

• 먼저, '짧고 약한' 펄스를 '회절 격자' [Grating, 프리즘과 유사]에 통과시킵니다.
• 빛의 '색깔' [파장]에 따라 굴절률이 다른 성질을 이용해, '파란빛'보다 '붉은빛'이 더 먼 거리를 이동하게 만듭니다. [처프, Chirp]
• 그 결과, '펨토초' 길이었던 펄스는 '나노초' [10억 분의 1초] 길이로, 즉 수십만 배나 길게 늘어집니다. 펄스가 '길어졌기' 때문에, 그 '최대 출력'은 수십만 배 '약해집니다.'

2단계: 증폭 [Amplification] (힘 키우기)

• 이제 이 '길고 약해진' 펄스는 증폭기를 '파괴'하지 않고도 안전하게 수백만 배로 증폭될 수 있습니다. [에너지가 주입됩니다.]

3단계: 압축 [Compression] (시간 줄이기)

• 이 '길고 강력해진' 펄스를, 1단계와 '정반대'의 회절 격자에 통과시킵니다.
• 이번에는 '붉은빛'이 '파란빛'을 따라잡도록 하여, '늘어났던' 시간을 다시 압축시킵니다.

[결과] 모든 에너지가 다시 '펨토초'라는 찰나의 순간으로 압축되면서, 그 '최대 출력'은 수조 배 [페타와트, PW]나 강력해진, 궁극의 빛의 망치가 탄생합니다.

CPA가 바꾼 세상: 라식 수술

CPA 기술은 즉시 세상을 바꾸었습니다. 이 '궁극의 펄스'는 너무나 강력하고 짧아서, 물질에 '열'을 전달할 틈도 없이, 그 표면을 차가운 방식으로 증발시킬 수 있습니다.

• 의학: 안과 의사들은 이 '차가운 칼'로 환자의 각막을 태우지 않고 정밀하게 깎아내는 수술, 즉 라식 [LASIK]과 라섹 [LASEK] 수술을 할 수 있게 되었습니다.
• 산업: 휴대전화의 '강화 유리'나 반도체 웨이퍼를 '열 손상 없이' 정밀하게 가공하는 핵심 기술이 되었습니다.
• 과학: 1000조 분의 1초보다 더 짧은 '아토초' [Attosecond]의 세계를 탐구하는 '초고속 카메라'가 되었습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

도나 스트릭런드: 55년 만의 여성 수상자

도나 스트릭런드의 수상은 물리학계의 역사적인 사건이었습니다. 그녀는 1903년 마리 퀴리, 1963년 마리아 괴퍼트 마이어에 이어, 55년 만에 탄생한 세 번째 노벨 물리학상 여성 수상자였습니다. 이 발견은 그녀가 '대학원생' 시절, 제라르 무루의 지도하에 쓴 박사학위 논문 [1985년]에서 이루어졌습니다.

아서 애슈킨: 96세의 최고령 수상자

아서 애슈킨은 1986년 96세의 나이로 노벨상을 수상하며, 역사상 최고령 노벨상 수상자라는 기록을 세웠습니다. [이 기록은 2019년 97세의 존 구디너프가 갱신합니다.] 그는 '벨 연구소'라는 위대한 산실에서 40년간 광학 핀셋 연구에 한평생을 바친 거인이었습니다.

 

✍️ 나가며: 빛을 '다루는' 시대의 완성

 

2018년 노벨 물리학상은 1964년 '레이저'의 발명 이후, 인류가 그 빛을 '어떻게' 다루는지를 보여준 두 개의 위대한 정점이었습니다.

아서 애슈킨은 빛을 '생명을 다루는 부드러운 손' [광학 핀셋]으로 만들었습니다. 무루와 스트릭런드는 빛을 '물질을 가공하는 강력한 망치' [CPA]로 만들었습니다.

이들이 발명한 빛의 도구들은, 오늘날 생물학, 의학, 산업, 그리고 기초 과학의 모든 현장에서 가장 필수적이고 강력한 도구로 활약하고 있습니다.