[시리즈 연재] 4편 레이저 색깔 바꾸기 신공!!

저번 시리즈에서 긴급 A/S 2편을 진행했었습니다. 혹시, 지금까지 맥락이 궁금하신 분은 긴급 A/S 1편이 도움이 될 것 같습니다. 전편 말미에 재밌는 일화로 마무리를 지었는데요, 카슬러에 대한 잡담 하나를 얘기하자면 노벨상을 수상했을 당시 '레이저의 할아버지(grand-père du Laser)'라고 프랑스 언론에서 대서특필을 했었습니다. 아마, 카슬러보다 레이저를 발명한 노벨상이 2년 먼저 받았기 때문에 프랑스 과학자인 카슬러를 더 띄워주려고 언론에서 그랬을지도 모르겠습니다. 하지만, 과학자인 카슬러 입장에서 '엄밀히' 따지면 레이저 발명에 아주 직접적으로 기여한 것은 아니거든요. 분명히 기여한 것은 맞지만 '레이저의 할아버지'라고 불릴 만한 수준은 아니었기 때문입니다. 그래서 공개석상에서 이를 반복적으로 거절했고, 그래서 사망 직전 Nature에 기고한 서평에서도 이 점을 분명히 밝혔습니다! 그는 "광펌핑이 1960년 첫 레이저에 사용된 것은 순전히 우연(le fait du hasard)"이라고 겸손하게 말했습니다. - 긴급 A/S 1편 오늘 이야기를 들으시면 왜 카슬러가 레이저의 할아버지라고 불렸는지 조금은 이해하실 수 있을 것 같습니다. 레이저의 아버지들의 이야기를 들으러 가보겠습니다! <노벨상 공식 홈페이지> 이 세 과학자는 "메이저-레이저 원리에 기반한 발진기 및 증폭기 구축으로 이어진 양자 전자 공학 분야의 기초 연구에 대한 공로"를 인정받아 노벨상을 받았습니다. 레이저는 들어보셨을텐데 '메이저'는 무엇이냐고요? 일단 레이저(LASER)의 풀네임을 살펴보겠습니다. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 오늘 "Amplification by Stimulated Emission of Radiation" 에 대해서 이따가 다룰 예정이니까 이건 신경쓰지 마시고 첫 L 글자인 Light 만 봐주시면 될 것 같습니다. 그럼 메이저(MASER)의 풀네임은요? Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation 네! Light가 Microwave로 바뀌면 그것이 메이저(MASER)입니다. 그러면 빛(Light) 또는 마이크로웨이브를 ASER 한 것이 핵심이겠지요? Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplification은 흔히 우리가 말하는 '앰프' 즉, 증폭시키다는 의미입니다. 빛 혹은 마이크로파를 '증폭' 시키는 것이 바로 레이저와 메이저입니다. 참고로 연설문에 표현된 순서를 보시면 알겠지만 실제로 먼저 개발된 것은 '레이저'가 아니라 '메이저'입니다. 올해 노벨 물리학상은 메이저(maser)와 레이저(laser)의 발명에 수여됩니다. "메이저(Maser)"는 "유도 방출에 의한 마이크로파 증폭(microwave amplification by stimulated emission of radiation)"의 약자이며, "레이저(laser)"라는 단어는 "마이크로파"를 "빛(light)"으로 대체하여 만들어졌습니다. - Nobel Prize in physics 1964 Award ceremony speech 그럼 그 수단(by)이 바로 SER(Stimulated Emission of Radiation) 이라는 것인데 이건 좀 과학적 내용을 담고 있어서 길게 다룰 필요가 있습니다. 시작은 아인슈타인입니다. 이 발명의 핵심은 1917년 아인슈타인이 이미 도입했던 유도 방출(stimulated emission) 개념입니다. 그는 플랑크의 복사 공식을 이론적으로 분석하여, 잘 알려진 흡수 과정에는 수신된 복사가 원자를 자극하여 동일한 종류의 복사를 방출하게 만드는 상보적인 과정이 수반되어야 함을 발견했습니다. - Nobel Prize in physics 1964 Award ceremony speech 뭔가 어려운 단어가 나왔지만 아주 거칠게 설명하기 위해 오늘도 '양자호텔' 비유를 가져오겠습니다. <인포그래픽 by Gemini> 요 인포그래픽 기억하실지요? 핵심은 간단합니다. 올바른 카드키 색깔을 손님이 받으면 손님은 엘리베이터를 타고 위층 객실로 올라갑니다. 그리고 매우 빠른 시간에 로비로 복귀하게 ...

양자호텔의 기본적인 개념은 이전 A/S 1편에서 다루었고 이제 어렵다는 댓글이 본격적으로 달린 2편의 내용에 대해 천천히 다시 살펴보도록 하겠습니다. 이 글을 읽고 다시 시리즈 연재 2편을 보시면 조금이라도 이해하는데 도움이 되셨으면 좋겠습니다! <인포그래픽 by Gemini> 양자호텔(=원자)에 있는 손님(=전자)는 로비에 고유한 룸넘버(=양자수)가 있는 방에서 쉬고 있습니다. 손님이 로비층에 있는 방에서 쉬고 있는데 빛으로 된 카드키를 손님이 받으면 손님은 엘리베이터로 갑니다. 이 카드키는 다른 고유한 룸넘버가 있는 방으로 가는 키입니다. 빛의 색깔(=파장)이 해당 방으로 가는 에너지 레벨이랑 맞아 떨어져야 엘리베이터가 작동합니다. 예를 들어, A라는 양자호텔에 파란색 빛 에너지에 해당하는 높이의 방이 있다고 가정해보겠습니다. 로비와 그 높이 차이에 해당하는 에너지의 빛 즉, 파란 색깔의 빛 카드가 손님에게 주면 엘리베이터는 작동해서 손님은 새로운 방으로 갈 수 있습니다. 하지만 B라는 양자호텔에는 빨간색 빛 에너지에 해당하는 높이의 방이 없고 녹색 빛 에너지에 해당하는 높이의 방만 있다고 해보겠습니다. 그럼 B라는 양자호텔 로비 방에서 쉬고 있는 손님은 아무리 빨간색 키를 줘도 녹색이 아니기 때문에 엘리베이터는 작동하지 않습니다. 그래서 손님은 계속 로비 방에서 쉬고 있죠. 대신 C라는 양자호텔은 빨간색 빛 에너지에 해당하는 높이의 방이 있으니까 거기에 빨간색 빛을 주면 손님은 빨간색 빛에 해당하는 카드키를 갖고 엘리베이터에 타서 해당 에너지 높이에 맞는 방으로 이동할 수 있게 되는 것입니다. <인포그래픽 by Gemini> 문제는 그렇게 손님(=전자)가 위쪽 방으로 갔다가 빠르게 로비로 돌아올 수 밖에 없습니다! 매우 높은 곳에 있기 때문에 불안정한 방이거든요. 그래서 높은 방에 잠깐 있다가 안정적인 로비층의 방으로 빠르게 되돌아옵니다. 실제로 물질에 알맞은 색깔의 빛을 계속 주게 되면 양자호텔 입장에서는 계속 카드키를 받아서 올라갔다가 다시 내려오고 또 다시 올라갔다 내려오고 반복할 뿐입니다. 일반적인 방법(그냥 색깔 맞는 빛을 비추어 주는 것)으로는 호텔 로비보다 윗 층에 손님이 통계적으로 많이 머무르게 하기 매우 어렵습니다. 즉, 100개의 같은 양자호텔(=원자)에 빛을 계속 비추어도 계속 손님들은 올라갔다 다시 내려올 뿐인 것이죠. 그럼 2편에서 말씀드린 1966년 노벨 물리학상 업적 중 하나인 '광펌핑'의 의미는 무엇일까요? 바로, 호텔 로비를 자기장으로 갈라지게 한 다음 특 로비에 ...

안녕하세요? 오랜만에 시리즈로 돌아왔습니다. 혹시나 처음 혹은 기억이 나지 않는 분들을 위해 간단히 복습하고 넘어가도록 하겠습니다. 프롤로그에서 놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다. 라는 문장으로 시작했습니다. 그리고 1967년 노벨 화학상, "매우 짧은 에너지 펄스를 가해 평형을 순간적으로 교란하고, 그 결과 나타나는 초고속 화학 반응을 연구한 공로"에 대해 총 5편에 걸쳐서 다뤘습니다. 1-1편에서는 화학에 대한 아주 기본적인 설명부터 시작해서 화학 반응 그리고 반응 속도와 평형에 대해서 다뤘습니다. 그 과정에서 곁다리로 1901년 노벨 화학상도 살짝 다뤘습니다. 여기서 제시한 목적은 빠른 반응 속도를 이야기하는데 왜 ‘빛’이 필요하지? 에 대한 의문을 해소하는 것입니다. 1-2편에서는 반응을 위해 "단순히 물질들을 충분히 빠르게 섞을 수 없다는 이유"에 대해 설명하고 동시에 변화도 '빠르게 측정'이 필요하며 여기에 '빛'이 아주 좋은 도구라는 것을 소개드렸습니다. 1-3편에서는 섞는 대신 이미 충분히 섞여 있는 상태에서 '평형'을 깨드려서 반응 속도를 측정한 아이겐의 업적에 대해 설명드렸습니다. 1-4편에서는 빠른 변화를 어떻게 '측정'할 것인지 설명하기 위해 아주 살짝 양자역학에 대해 소개를 해드렸습니다. 1-5편에서는 반응 시작과 변화의 측정 모두 '빛'으로 한 두 과학자의 업적을 소개해 드렸습니다. 그렇게 1회차를 끝내고 나서 핵심은 '빠른 찰나의 빛'을 만드는 것이고 이를 위해 '레이저'에 대해 이해할 필요가 있다고 말씀 드렸습니다. 그 첫 단추로 레이저의 시동거는 역할을 했던 1966년 노벨 물리학상을 2편에서 다뤘습니다. 그런데... 꽤 많은 분들이 어려워 하셔서 이에 대하 반성하고 보충하는 글을 올리려고 합니다. 저는 <양자 호텔>이라는 비유를 이용해서 원자에서 전자 전이를 설명하고 있었습니다. 이 호텔은 한 사람의 작품은 절대 아니지만 그래도 가장 결정적인 역할을 한 사람을 꼽으라면 바로, <노벨상 공식 홈페이지> 바로 닐슨 보어입니다. 보어는 1922년 "원자의 구조와 그로부터 방출되는 복사선(방사선)을 연구한 공로"로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 시간에 따라 변화를 보는 것이 아니라 물질의 빛 흡수와 방출은 꽤 오래전부터 연구하던 분야였습니다. 저번에 말씀드린대로 물질에 특성을 통해서 이것이 어떤 물질인지 아는 것은 화학에서 매우 중요한 작업이었고 그 중 하나가 빛의 흡수와 방출입니다. 키르히호프(Kirchhoff)와 분젠(Bunsen)이 1860년 분광 분석법을 도입한 이래, 이 지극히 중요한 연구 도구는 훌륭한 결과들을 낳았습니다. 초기에는 지상의 물체뿐만 아니라 천체로부터 물질을 수집하고 그 스펙트럼을 조사했습니다. 이는 실로 놀라운 수확이었습니다. - Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech 과학자들은 분명히 그런 빛의 '흡수' 그리고 '방출'에 규칙이 있을 것이라고 생각했고 자연을 이해하는데 핵심 원리가 있을 것이라 생각했습니다. 그래서 가장 단순한 '수소 원자'에 대해 규칙을 찾고 이해하려고 시도했으며 이를 설명할 수 있는 '원자 모델'을 만들려고 오랜 시간에 걸쳐 노력했습니다. 만약 원자의 구조에 대한 아이디어를 얻을 수 있다면, 이는 당연히 수소 원자가 방출할 수 있는 빛의 진동에 대한 개념을 정립하는 좋은 출발점이 될 것이었습니다. 원자로부터 그 비밀을 놀라운 정도로 밝혀낸 러더퍼드(Rutherford)는 그러한 "원자 모형"을 구축했습니다. 그의 구상에 따르면, 수소 원자는 극히 작은 크기의 단위 전하를 띤 양전하 핵(nucleus)과, 그 주위를 궤도를 그리며 도는 음전하를 띤 전자로 구성되어야 했습니다.- Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech 참고로 러더퍼드 역시 1908년 노벨 다른 업적으로 화학상을 받은 인물인데, 노벨상 업적만큼 유명한 실험은 알파입자 산란 실험입니다. 당시에는 원자가 어떻게 구성되어 있는지 정확히 알지 못할 때였습니다. 지배적인 이론은 '푸딩 원자 모형'인데 원자의 + 전하가 고르게 퍼져 있고 - 전하를 갖는 전자가 박혀있는 모습입니다. <by Gemini> 러더퍼드는 얇은 금 호일에다가 알파입자(헬륨 원자핵)을 충돌시켰습니다. 실제로 저렇게 생겼다면 전기력 때문에 약간 휘어질 것이라 예측하였으나 실제로는 대부분 그대로 통과했고 일부는 크게 휘어지거나 오히려 뒤쪽으로 튕겨나가기도 했습니다. <wikipedia> 당시 러더퍼드는, 15인치 포탄을 휴지 조각에 쏘았는데, 그것이 되튕겨 나와 당신을 맞춘 것만큼이나 믿기 어려운 일이었다. 라고 말할 정도였습니다. 이 실험 결과를 해석하기 위해서 원자는 내부가 대부분 비어 있고 중심에 양전하와 질량이 집중되어 있다고 제안했고 전자는 그 주위를 도는 행성 모형을 제안했습니다. 다만, 그게 고전 전자기학으로는 설명하기 어려운 부분이 있어서 잘 받아들여지 않았습니다. 핵과 전자 사이에는 아마도 전기력만이 작용하고, 이 전기력은 두 질량 사이의 중력과 같은 법칙을 따르므로, 전자의 경로는 타원형이거나 원형이어야 하며, 핵은 타원의 초점 중 하나 혹은 원의 중심에 위치해야 합니다. 핵은 태양에, 전자는 행성에 비유될 수 있을 것입니다. 그러나 맥스웰(Maxwell)의 고전 이론에 ...

저는 <찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기> 시리즈를 연재하고 있습니다. 프롤로그의 시작은 놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다. 이 한 문장이었습니다. 화학과 화학반응에 대한 기본적인 이야기를 1-1편에서 다루었고, 화학반응 속도 측정에 빛이 필요한 이유에 대해서 1-2편에서 다루었습니다. 그리고 빛을 이용해서 매우 빠른 화학반응을 측정한 공로를 다룬 두 그룹의 노벨상을 1-3, 1-4 그리고 1-5편 총 세 편에 걸쳐 이야기를 이어 왔습니다. 빠른 화학반응을 측정하려면, 반응의 시작버튼을 측정하고자 하는 화학반응의 속도보다 더 빠르게 눌러야 합니다. 그리고 그 변화를 빠르게 측정할 수 있어야 합니다. 이 조건을 만족하는 최고의 도구는 바로 '빛'입니다. 1967년 노벨 화학상을 받은 세 과학자는 적극적으로 '빛'을 이용해 빠른 화학반응을 측정했습니다. 이제 더 빠른 화학반응을 측정하기 위해서 필요한 것들은 (1) 더 짧은 순간의 빛을 만드는 것 그리고 (2) 그 짧은 순간의 변화를 관찰하는 것입니다. 아주 짧은 순간의 빛을 만들기 위해서는 '레이저'라는 것을 소개해 드려야 합니다. 실제로 오늘 다룰 1966년 노벨 물리학상보다 더 먼저 레이저의 개발로 1964년 노벨 물리학상(양자 전자공학 분야에서의 기초 연구로서, 메이저-레이저 원리에 기반한 발진기와 증폭기의 구축으로 이어진 업적)이 수여됐습니다. 그런데 왜 2년 후의 1966년 노벨 물리학상을 다루냐 하면 이 공로가 일종의 레이저의 '시동을 거는 역할'을 했기 때문입니다. 1966년 노벨 물리학상은 알프레드 카슬러(Alfred Kastler)에게 "원자에서의 헤르츠 공명(Hertzian resonances)을 연구하기 위한 광학적 방법을 발견하고 발전시킨 공로"로 단독 수여됐습니다. 실제로 오늘 다룰 내용은 공로 중 일부인 '광학적 방법'에 대해 다룰 것입니다. 광펌핑에 대한 카슬러의 아이디어는 레이저 개발에 중요한 역할을 했습니다. - Nobel Prize in physics 1966 Award ceremony speech 오늘은 레이저에 시동을 거는 방법, '광펌핑(optical pumping)'에 대해서 간략히 다뤄보도록 하겠습니다. 사실, 이 순간을 위해서 1-4편에서 양자역학을 아주 간략하게 다뤘었습니다. 다시 복습해보도록 하죠! 우리가 받아들여야 하는 것은 딱 두 가지입니다. 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다. 물질의 내부 에너지는 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다. 빛은 입자의 성질을 가질 수 있으므로 흡수와 방출의 단위가 연속적이지 않다 = 양자화되어 있다. 저는 비유적으로 설명하기 위해서 양자 프랜차이즈 호텔이라는 개념을 도입했습니다. 손님(전자)이 로비에 있는데, 방으로 가기 위해서는 빛으로 된 카드키를 엘리베이터에 꽃아야 합니다. 정확한 방의 높이(에너지)와 일치하는 빛의 색깔(=파장)의 카드키가 없으면 엘리베이터는 작동하지 않습니다. <인포그래픽 by Gemini> 참고로 다시 잠깐 복습하자면, 빛의 색깔은 '파장'으로 나타낼 수 있습니다. 빛의 속도는 (거의) 일정한데 빛의 진동수는 파장의 역수에 비례합니다. 제 시리즈에서 수학적 공식은 최소화 하고 싶지만... 한 번은 수식으로 쓰는 것이 더 이해에 ...

빠른 반응을 측정하기 위해서는 세 가지가 핵심입니다. 첫번째는 반응 물질을 매우 빠르게 섞을 수 있어야 합니다. 두번째는 반응의 시작버튼을 매우 빠르게 누를 수 있어야 합니다. 세번째는 그렇게 빠르게 버튼을 누른 후 변화를 빠르게 기록할 수 있어야 합니다. 1-3편에서 만프레드 아이겐은 첫번째 문제를 멋지게 '우회'했습니다. 빠르게 섞지 않고 반응이 충분히 진행된 이후 평형지점에서 반응의 '시작버튼'을 빠르게 눌렀던 것이죠. 노리시와 그의 제자인 조지 포터는 첫번째 문제를 다른 관점에서 풀었습니다. 바로, 세상에서 가장 빠르게 도달하는 녀석, '빛'으로 첫번째 문제와 두번째 문제를 동시에 풀어버리는 것입니다. A→B 라는 반응을 다시 예로 들어보겠습니다. 만약 이 반응이 가만히 두면 거의 일어나지 않는 반응인데, A가 '빛'을 흡수했을 때만 일어난다고 해보겠습니다. 그럼 반응은 A+빛→B 으로 나타낼 수 있습니다. 이전에 예시로 들었던 C+D→E 반응과 비슷하지만, 근본적으로 C와 D는 물질이므로 충돌 속도 이상으로 빠르게 접근할 수도 없고, 그 충돌을 제어하기도 힘듭니다. 즉, 한 순간에 C와 D가 섞이도록 하는 것은 매우 어렵습니다. 빠른 반응의 경우 섞이면서 반응이 일어나기 때문에 반응속도를 정확히 측정하기도 어렵습니다. 반면, 빛은 일반적인 물질과 달리 매-우 빨라서 순식간에 A와 충돌합니다. 그래서 반응을 ‘시작시키는’ 시점은, 우리가 빛을 쏘는 시점과 거의 같아집니다. 빛을 아주 짧은 순간, 원하는 시점에 발생시킬 수 있다면 빠른 반응의 속도를 측정하기 위한 두 가지 조건을 해결할 수 있는 셈이죠! 1920년대부터 노리시(Norrish) 교수는 반응 속도론을 연구해 왔으며 이 분야의 선도적인 과학자 중 한 명이었습니다. 1940년대 후반, 조지 포터(George Porter)라는 젊은 동료가 합류했습니다. 그들은 사진사들이 사용하는 것과 같은 섬광 램프(flash lamp)를 사용하기로 했습니다. 유일한 차이점은 램프를 수천 배 더 강력하게 만들었다는 것입니다. 실제로 이후 개량 과정을 거쳐, 스톡홀름 전체가 겨울 오후 피크 시간대에 사용하는 전력량보다 더 강력한 출력을 내는 램프가 제작되었습니다. 그 전력량은 60만 킬로와트에 달합니다. - Nobel Prize in Chemistry 1967 Award ceremony speech 이제 세번째 조건 "그렇게 빠르게 버튼을 누른 후 변화를 빠르게 기록"하는 문제로 넘어가겠습니다. 저번에도 말씀드렸듯이 이 문제는 매우 중요한 문제입니다. 측정을 빠르게 하지 못한다면 아무리 빠르게 반응을 '시작'시켜도 소용없으니까요! 방금 인용했던 노벨상 수상 연설의 뒷부분을 살펴보시죠. 하지만 딱 한 가지 난점(catch)이 있습니다. 램프의 이 엄청난 효과는 불과 100만분의 1초(마이크로초) 정도만 지속된다는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 이 방법을 통해 섬광 램프 옆의 튜브에 있는 물질의 대부분은 아니더라도 상당 부분을 활성화된 형태로 변환시키거나, 분자를 쪼개어 반응성 높은 원자단을 생성할 수 있습니다. 그러면 새로 형성된 이 분자들을 분광학적(spectroscopically)으로 연구하는 것이 가능해지지만, 이들이 매우 쉽게 반응하기 때문에 측정은 극도로 빨라야 합니다. 다행히 현대 전자 장비 ...