2023년 노벨물리학상 아토초(attosecond) 연구란?

2023년 노벨 물리학상은 100경 분의 1초인 아토초 단위의 빛 펄스 생성 기술을 개발한 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 륄리에에게 수여되었습니다. 이들의 연구는 원자 내 전자의 움직임과 같은 찰나의 순간을 관찰할 수 있게 해주는 아토초 물리학 분야의 탄생과 발전에 결정적인 역할을 했습니다. 이 획기적인 기술은 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 재료과학 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.

 

I. 아토초 물리학, 찰나의 순간을 포착하다

1. 아토초(attosecond): 시간의 새로운 척도

아토초(attosecond)는 100경 분의 1초를 의미하는 극히 짧은 시간 단위입니다. 1 아토초는 1초에 비해 얼마나 짧을까요? 빛이 머리카락 한 올 두께를 통과하는 데 걸리는 시간이 약 300 아토초입니다. 이처럼 찰나의 순간인 아토초는 원자 내 전자의 움직임을 관찰할 수 있는 새로운 시간의 척도를 제공합니다.

원자 내 전자는 끊임없이 움직이며, 이러한 움직임은 물질의 화학적, 물리적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 하지만 전자의 움직임은 너무나 빠르기 때문에 기존의 기술로는 관찰하기 어려웠습니다. 아토초 펄스의 개발은 이러한 한계를 극복하고 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다.

 

2. 아토초 펄스 생성 기술의 발전

아토초 펄스는 극히 짧은 시간 동안 강력한 빛을 방출하는 레이저 펄스입니다. 이러한 펄스는 펨토초 레이저를 이용하여 생성됩니다. 펨토초 레이저는 1천조 분의 1초 동안 빛을 방출하는 레이저로, 이미 다양한 과학 분야에서 활용되고 있습니다.

2023년 노벨 물리학상 수상자들은 각자 독창적인 방법으로 펨토초 레이저를 이용하여 아토초 펄스를 생성하는 기술을 개발했습니다. 안 륄리에는 1987년, 레이저를 불활성 기체에 쏘았을 때 발생하는 고차 조화파 현상을 이용하여 아토초 펄스를 생성하는 방법을 처음으로 제시했습니다. 이는 아토초 펄스 생성의 기반이 되는 중요한 발견이었습니다.

페렌츠 크라우스는 2001년, 륄리에의 고차 조화파 생성 방법을 더욱 발전시켜 최초로 아토초 펄스를 생성하는 데 성공했습니다. 그는 이후 아토초 펄스를 이용하여 원자 내 전자의 움직임을 관찰하는 등 다양한 응용 연구를 수행했습니다.

피에르 아고스티니는 2001년, 크라우스와는 다른 방식으로 아토초 펄스를 생성하는 데 성공했습니다. 그는 레이저 펄스를 두 개의 다른 파장으로 분리한 후 다시 결합시키는 방법을 사용했습니다. 이를 통해 그는 더욱 짧고 강력한 아토초 펄스를 생성할 수 있었습니다.

이들의 연구는 아토초 물리학 분야의 탄생과 발전에 결정적인 역할을 했습니다. 아토초 펄스 생성 기술의 발전은 과학자들이 이전에는 상상할 수 없었던 극히 짧은 시간 동안 일어나는 현상들을 관찰하고 이해할 수 있게 해주었습니다. 이는 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 재료과학 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.

 

II. 노벨 물리학상 수상자들의 삶과 업적

1. 안 륄리에 (Anne L'Huillier): 고차 조화파 생성의 선구자

안 륄리에는 1958년 프랑스 파리에서 태어났습니다. 그녀는 어릴 때부터 수학과 과학에 뛰어난 재능을 보였고, 에콜 노르말 쉬페리외르(École Normale Supérieure)에서 물리학을 전공했습니다. 1986년 박사 학위를 취득한 후, 그녀는 프랑스 원자력 및 대체 에너지 위원회(CEA)에서 연구를 시작했습니다.

1987년, 륄리에는 레이저를 불활성 기체에 쏘았을 때 발생하는 고차 조화파(High Harmonic Generation, HHG) 현상을 이용하여 아토초 펄스를 생성하는 방법을 처음으로 제시했습니다. 이는 아토초 펄스 생성의 기반이 되는 중요한 발견이었으며, 이후 아토초 물리학 분야의 탄생과 발전에 결정적인 역할을 했습니다. 륄리에는 이후에도 아토초 과학 분야에서 꾸준히 연구를 이어가며, 아토초 펄스를 이용한 원자 및 분자 연구, 극자외선 레이저 개발 등 다양한 분야에서 업적을 남겼습니다. 그녀는 현재 스웨덴 룬드 대학교(Lund University)에서 교수로 재직하며 아토초 과학 분야의 발전을 이끌고 있습니다.

 

2. 페렌츠 크라우스 (Ferenc Krausz): 아토초 펄스 생성 및 응용 연구의 선두주자

페렌츠 크라우스는 1962년 헝가리 모르(Mór)에서 태어났습니다. 그는 어린 시절부터 과학에 대한 열정을 키웠으며, 부다페스트 기술경제대학교(Budapest University of Technology and Economics)에서 전기공학을 전공했습니다. 1991년 박사 학위를 취득한 후, 그는 오스트리아 비엔나 기술대학교(Vienna University of Technology)에서 연구를 시작했습니다.

2001년, 크라우스는 륄리에의 고차 조화파 생성 방법을 더욱 발전시켜 최초로 아토초 펄스를 생성하는 데 성공했습니다. 이는 아토초 물리학 분야의 역사적인 순간으로 기록되었습니다. 그는 이후 아토초 펄스를 이용하여 원자 내 전자의 움직임을 관찰하는 등 다양한 응용 연구를 수행했습니다. 특히, 그는 아토초 펄스를 이용하여 전자가 원자에서 탈출하는 과정(광전 효과)을 실시간으로 관찰하는 데 성공했으며, 이는 화학 반응의 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공했습니다. 크라우스는 현재 독일 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학교(Ludwig Maximilian University of Munich)와 막스 플랑크 양자광학 연구소(Max Planck Institute of Quantum Optics)에서 교수로 재직하며 아토초 과학 분야의 발전을 선도하고 있습니다.

 

3. 피에르 아고스티니 (Pierre Agostini): 아토초 과학의 지평을 넓힌 연구자

피에르 아고스티니는 1944년 프랑스에서 태어났습니다. 그는 에콜 폴리테크니크(École Polytechnique)에서 물리학을 전공했으며, 1975년 박사 학위를 취득했습니다. 그는 프랑스 원자력 및 대체 에너지 위원회(CEA)에서 연구를 시작했으며, 1990년대부터 아토초 펄스 생성 및 응용 연구에 몰두했습니다.

2001년, 아고스티니는 크라우스와는 다른 방식으로 아토초 펄스를 생성하는 데 성공했습니다. 그는 레이저 펄스를 두 개의 다른 파장으로 분리한 후 다시 결합시키는 방법을 사용했습니다. 이를 통해 그는 더욱 짧고 강력한 아토초 펄스를 생성할 수 있었습니다. 아고스티니는 이후 아토초 펄스를 이용하여 다양한 물리 현상을 연구했으며, 특히 그는 아토초 펄스를 이용하여 분자 내 전자의 움직임을 제어하는 데 성공했습니다. 이는 새로운 분자 제어 기술 개발에 중요한 발판을 마련했습니다. 아고스티니는 현재 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 오하이오 주립대학교(Ohio State University)에서 교수로 재직하며 아토초 과학 분야의 발전에 기여하고 있습니다.

III. 아토초 물리학의 미래와 응용 가능성

1. 미시세계 탐구의 새로운 지평

아토초 물리학은 원자, 분자 내 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 강력한 도구입니다. 이는 물질의 근본적인 특성을 이해하고 새로운 기술 개발에 활용할 수 있는 획기적인 가능성을 제시합니다. 예를 들어, 아토초 펄스를 이용하여 전자가 원자핵 주위를 도는 모습이나 화학 결합이 형성되고 끊어지는 순간을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 미시세계의 현상을 이해하는 것은 물질의 성질을 제어하고 새로운 기능을 가진 소재를 개발하는 데 중요한 열쇠가 될 수 있습니다.

2. 다양한 분야에서의 응용 가능성

아토초 물리학은 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 재료과학, 의학 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 화학 분야에서는 아토초 펄스를 이용하여 화학 반응의 과정을 실시간으로 관찰하고 제어함으로써, 새로운 촉매 개발이나 에너지 효율적인 화학 공정 개발에 기여할 수 있습니다. 생물학 분야에서는 단백질 접힘이나 광합성과 같은 생명 현상의 메커니즘을 밝히는 데 활용될 수 있습니다. 재료과학 분야에서는 새로운 나노 소재 개발이나 반도체 성능 향상에 기여할 수 있습니다. 의학 분야에서는 암 치료나 질병 진단에 활용될 수 있는 새로운 기술 개발에 기여할 수 있습니다.

3. 미래 기술 발전의 핵심 동력

아토초 물리학은 양자 컴퓨팅, 초고속 전자소자, 신소재 개발 등 미래 기술 발전에 핵심적인 역할을 할 것으로 예상됩니다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 아토초 펄스를 이용하여 양자 비트(큐비트)를 제어하고 정보를 처리하는 데 활용할 수 있습니다. 초고속 전자소자 분야에서는 아토초 펄스를 이용하여 전자의 움직임을 제어하고 더 빠르고 효율적인 전자 소자를 개발하는 데 기여할 수 있습니다. 신소재 개발 분야에서는 아토초 펄스를 이용하여 새로운 물질의 특성을 분석하고 제어함으로써, 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 소재를 개발하는 데 기여할 수 있습니다.

아토초 물리학은 아직 초기 단계에 있지만, 그 잠재력은 무궁무진합니다. 앞으로 아토초 과학의 발전은 인류의 삶을 획기적으로 변화시킬 핵심 동력이 될 것입니다.