[2023 노벨물리학상] 아고스티니, 크러우스, 륄리에 : '아토초'의 세계를 연 빛의 화살

 

 

 

📜 들어가며: 1000조 분의 1초, 그 너머의 세계

 

인류의 과학사는 '더 빠른 순간'을 포착하려는 도전의 역사였습니다. 19세기에 우리는 '마이크로초' [100만 분의 1초] 단위로 날아가는 총알을 찍었습니다. 20세기 후반, '레이저' [1964년 수상]가 발명되면서 우리는 '펨토초' [1000조 분의 1초, 10⁻¹⁵초]의 세계에 도달했습니다.

1999년, 아메드 즈웨일 [Ahmed Zewail]은 이 '펨토초 레이저'를 이용해, 화학 반응 중 원자들이 '움직이고' '결합이 끊어지는' 찰나의 순간을 포착하여 노벨 화학상을 수상했습니다. [펨토 화학]

펨토초는 원자가 움직이는 시간입니다. 하지만 화학과 생명의 '진짜 주인공'인 전자 [Electron]는 어떨까요?

전자는 원자 주위를 도는 '구름'이 아닙니다. 전자는 '양자 도약'을 하고, 원자 사이를 '터널링'하며, 화학 결합의 '접착제' 역할을 하는 실체입니다. 그리고 이 모든 움직임은 펨토초보다 1000배 더 빠른, 아토초 [Attosecond, 10⁻¹⁸초, 100경 분의 1초]의 영역에서 일어납니다.

1 아토초는 1초에 비유하자면, 1초가 '우주의 나이' [138억 년]에 해당하는 것과 같습니다.

이 '전자의 세계'를 탐험하기 위해, 인류는 '펨토초'보다 1000배 더 빠른 '카메라 셔터'가 필요했습니다. 즉, '아토초' 동안만 지속되는 '빛의 섬광'이 필요했습니다.

2023년 노벨 물리학상은, 수십 년에 걸쳐 이 '불가능한 빛'을 현실로 만들어, 인류에게 마침내 '전자의 움직임'을 볼 수 있는 '눈'을 선물한 세 명의 선구자, 피에르 아고스티니 [Pierre Agostini], 페렌츠 크러우스 [Ferenc Krausz], 안 륄리에 [Anne L'Huillier]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "아토초 펄스, 그리고 전자의 동역학"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2023년, 이 세 명의 거장에게 노벨상을 공동 수여하며 그 공로를 다음과 같이 발표했습니다.

"물질의 전자 동역학 [Electron Dynamics] 연구를 위한, '아토초 빛 펄스' [Attosecond Pulses of Light]를 생성하는 실험 방법을 개발한 공로를 기리며"

이 수상은 아토초 물리학 [Attophysics]이라는 새로운 분야의 탄생을 공식적으로 인정한 것입니다.

• 안 륄리에 [이론과 토대의 발견]: 1987년, 강력한 레이저를 기체에 쏘았을 때 '아토초 펄스'의 '재료'가 되는 수많은 고조파 [Harmonics]가 발생하는 것을 최초로 발견하고, 그 물리적 원리를 규명했습니다.
• 피에르 아고스티니 [펄스 열차의 생성]: 2001년, 륄리에가 발견한 '고조파'들을 '간섭'시켜, 250 아토초 길이의 '펄스 열차' [Pulse Train]를 실제로 생성하고 측정하는 데 성공했습니다.
• 페렌츠 크러우스 [단일 펄스의 분리]: 2001년, 아고스티니와는 독립적으로, '펄스 열차'에서 단 하나의 고립된 650 아토초 펄스를 분리하고 측정하는 데 성공했습니다.

특히, 안 륄리에는 1903년 마리 퀴리, 1963년 마리아 괴퍼트 마이어, 2018년 도나 스트릭런드, 2020년 안드레아 게즈에 이어, 노벨 물리학상을 수상한 역사상 다섯 번째 여성 수상자가 되었습니다.

 

⚡️ 펨토초의 '벽': 빛보다 짧은 빛을 만드는 법

 

어떻게 '아토초' 펄스를 만들 수 있었을까요? 1980년대, 물리학은 '벽'에 부딪혀 있었습니다.

'펄스'는 '파동'으로 만듭니다. 그런데 '가시광선' 레이저의 '한 파장' [빛이 한 번 출렁이는] 자체가 약 1~2 펨토초[fs]입니다. 상식적으로, '파동'보다 '더 짧은' 펄스를 만드는 것은 불가능합니다. [마치 1초에 한 번 울리는 종으로 0.5초짜리 소리를 만들려는 것과 같습니다.]

이 '빛의 장벽'을 깬 것이 바로 안 륄리에의 1987년 발견이었습니다.

 

💡 [1부] 안 륄리에: '하모닉스'라는 음계를 발견하다 [1987]

 

1987년, 프랑스 사클레의 원자력 연구소[CEA]에서 안 륄리에는 기묘한 실험을 하고 있었습니다. 그녀는 당시 막 개발된 강력한 '적외선' 레이저 펄스[펨토초]를 '아르곤' [Argon] 같은 '비활성 기체'에 쏘았습니다.

[예상] 기체 원자들은 이온화되거나, 빛이 그냥 통과할 것이라 예상했습니다.

[결과] 놀랍게도, 기체를 통과한 빛은 원래의 '적외선'뿐만 아니라, 수십 개의 새로운 빛들이 '스펙트럼' 형태로 뿜어져 나왔습니다.

이 새로운 빛들은 원래 빛의 '고조파' [Harmonics]였습니다.

비유하자면, 피아노에서 '낮은 도' 건반 하나를 세게 쳤을 뿐인데, '높은 도', '솔', '그다음 옥타브의 도'... 등 수십 개의 '높은 음'들이 동시에 '합창'처럼 튀어나온 것입니다.

고조파의 원리

륄리에는 이 현상을 양자역학적으로 규명했습니다.

1. 강력한 레이저[전기장]가 원자핵에 묶인 '전자'를 '터널링'시켜 원자 밖으로 '꺼냅니다'.
2. 이 '자유' 전자는 레이저 전기장에 이끌려 '가속'됩니다.
3. 레이저의 전기장 방향이 바뀌자, 전자는 'U턴'하여, 엄청난 에너지로 '어머니 원자'와 '재결합'합니다.
4. 이때, 전자가 축적한 '모든 운동 에너지'를 단 하나의 '광자'로 방출합니다.

이 광자는 원래의 적외선보다 수십, 수백 배의 에너지를 가진 '극자외선' [XUV] 빛이었고, 이 과정이 레이저의 매 '주기'마다 반복되면서 '수십 개의 고조파'가 생성된 것입니다.

가장 중요한 것은, 이 수십 개의 '고조파' [높은 음들]가 위상이 잠겨 [Phase-locked], 즉 '같은 박자'로 행진하고 있었다는 것입니다.

 

🔬 [2부] 아고스티니 & 크러우스: '음계'를 '펄스'로 만들다 [2001]

 

륄리에가 '아토초' 펄스를 만들 수 있는 '재료' [위상이 정렬된 고조파]를 발견했다면, 피에르 아고스티니와 페렌츠 크러우스는 이 재료로 '펄스'를 '요리'하는 데 성공했습니다.

펄스 '기차'와 '단일' 펄스

수십 개의 '고조파' [다른 주파수의 파동]를 '같은 박자'로 합치면 어떤 일이 벌어질까요? '파동의 간섭'이 일어납니다.

수십 개의 파동이, 아주 짧은 한순간에만 모두 '마루'에서 만나 '보강 간섭'[강력한 빛]을 일으키고, 그 외의 모든 시간에는 '마루'와 '골'이 만나 '상쇄 간섭'[어둠]을 일으킵니다.

그 결과, '연속적인' 빛이 아닌, '기관총'처럼 '따-다-다-닥!' 하고 쏘아지는 '빛의 총알'이 만들어집니다. 이 '총알' 하나하나의 길이가 바로 아토초 [Attosecond] 영역이었습니다.

2001년, 두 연구팀은 이 현상을 실제로 구현하고 '측정'하는 데 성공하며 치열한 경쟁을 벌였습니다.

• 피에르 아고스티니 [프랑스]: 그의 팀은 'RABBIT'이라는 기법을 개발하여, 이 '고조파'들이 정말 '위상이 잠겨' 있음을 증명했습니다. 그들은 1.7 펨토초 간격으로 250 아토초 길이의 '빛의 총알'들이 '기차'처럼 이어지는 [Pulse Train] 현상을 최초로 측정했습니다.
• 페렌츠 크러우스 [오스트리아/독일]: 그의 팀은 더 나아가, '광학적 마술'을 부려 이 '총알 기차'에서 단 하나의 총알 [Isolated Pulse]만 분리해내는 데 성공했습니다. 그들이 측정한 단일 펄스의 길이는 650 아토초였습니다.

인류는 마침내 '아토초'라는 '셔터 스피드'를 확보했습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산: '전자'의 영화를 찍다

 

아토초 물리학 [Attophysics]의 탄생

이들의 발견은 '아토초 물리학'이라는 새로운 분야를 열었습니다. 펨토초 카메라가 '원자'의 움직임을 '사진' [Snapshot]으로 찍었다면, 아토초 카메라는 전자의 움직임을 영화 [Movie]로 찍을 수 있게 되었습니다.

2010년, 크러우스의 연구팀은 '광전 효과' [아인슈타인이 1905년 설명한]에서 전자가 튀어나오는 데 걸리는 시간을 실제로 측정했습니다. [약 21 아토초]

더 빠른 기술을 향하여

아토초 펄스는 '차세대 전자공학' [빛의 주파수로 작동하는 컴퓨터], '촉매' [화학 반응의 근본 원리 이해], '의학' [분자 지문을 통한 질병 조기 진단] 등 상상할 수 있는 모든 분야의 '궁극의 도구'가 될 잠재력을 지니고 있습니다.

스승과 제자

안 륄리에는 스웨덴 룬드 대학의 교수로 재직하며 수많은 후학을 양성했습니다. 피에르 아고스티니는 프랑스 CEA와 오하이오 주립대학에서, 페렌츠 크러우스는 빈 공과대학을 거쳐 독일 막스 플랑크 연구소에서 각각 이 분야를 이끌었습니다.

 

✍️ 나가며: 100경 분의 1초라는 새로운 지평

 

2023년 노벨 물리학상은 30년이 넘는 세월 동안, 세 명의 과학자가 '이론'을 '실험'으로, '실험'을 '측정'으로, '측정'을 '기술'로 완성시킨 위대한 여정이었습니다.

안 륄리에는 '피아노 건반' [고조파]을 발견했고, 아고스티니와 크러우스는 그 건반으로 '음악' [아토초 펄스]을 연주하는 법을 알아냈습니다.

그들 덕분에 인류는 '원자'의 움직임[펨토초]을 넘어, '전자'의 춤[아토초]이라는, 물질 세계의 가장 근본적이고 가장 빠른 영역을 마침내 '볼' 수 있게 되었습니다.