[시리즈 연재] 4편 레이저 색깔 바꾸기 신공!!

4편이면 총 기획 7편(+프롤로그, 에필로그) 해서 중간 정도에 왔습니다. 전체 큰 그림을 다시 한 번 그려 보기 위해 2.5편의 도입부를 그대로 가져와서 3편을 포함시켰습니다.

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 이야기하는 데 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 깨뜨려서 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 말씀드렸습니다.

그 첫 단추로 레이저의 시동을 거는 아이디어를 제안 했던 1966년 노벨 물리학상을 2편에서 다뤘습니다.

그리고 여기서 많은 분들이 어려워하셔서 간단한 배경 설명을 위해 2.5-1편 그리고 2편의 리뉴얼버전인 2.5-2편을 작성했습니다.

다음으로 실제 레이저에 대해서 간단한 원리를 3편(1964년 노벨 물리학상)에서 다뤘습니다.

우리는 3편에서 양자호텔 비유를 이용해 '레이저의 원리'에 대해 알아봤습니다.

'양자'라는 개념의 핵심 중 하나는 불연속적인 에너지인데 저는 원자를 '양자호텔'에 비유하며 이를 설명했습니다. 손님이 객실이 없는 높이에는 머무를 수 없거든요!

레이저 원리 중 핵심은 '밀도 반전'(population inversion) 이 필요하다는 것입니다.

보통 손님이 위 층 객실에 가면 매우 빠르게 다시 로비로 돌아오기 때문에 대부분의 양자호텔은 로비에 손님이 항상 가득 차 있습니다. 하지만 양자호텔에서는 위 층에서 빠르게 내려오지 못하는 특수객실이 존재하고 또 그 특수객실로의 접근성이 좋은 아주 일부 양자호텔에서는 로비가 아닌 특수객실에 손님이 대다수 머물게 할 수 있습니다.

그럴 때 로비와 특수객실 높이 차이에 해당하는 빛의 카드를 양자호텔에 보내면 무더기로 특수객실에서 로비로 손님들이 돌아오면서 빛의 카드를 다 반납합니다. 다시 말해, 해당 빛이 '증폭'됩니다. 심지어 맨 처음에 들어온 빛의 카드와 완전히 동일한 상태의 카드로!

문제는 이런 ‘특수 객실’을 만들기 쉬운 원자·분자계가 많지 않다는 점입니다. 게다가 가능한 전이 에너지도 매질마다 어느 정도 정해져 있어서, 원하는 모든 파장의 레이저를 직접 얻기는 어렵습니다. 그래서 과거에 특정한 색깔(=파장)의 레이저'만' 만들 수 있었습니다.

그런데 분광학이 발전하면서 이 레이저 색을 바꿀 수 있는 기술이 등장했습니다! 조금 더 정확히는 파장을 바꿀 수 있는 레이저와 비선형 광학 기술이 발전하면서, 사용할 수 있는 레이저 파장 범위가 크게 넓어습니다.

오늘 다룰 1981년 노벨물리학상의 절반은 "레이저 분광학 발전에 기여한 공로"로 니콜라스 블룸베르헌(Nicolaas Bloembergen)과 아서 레너드 숄로(Arthur Leonard Schawlow)에게 공동 수여되었고, 나머지 절반은 "고해상도 전자 분광학 발전에 기여한 공로"로 카이 M. 시그반(Kai M. Siegbahn)에게 수여됐습니다.

저는 그 중에서 "레이저 분광학 발전에 기여한 공로"를 중심으로 다뤄보려고 합니다.

<노벨상 공식 홈페이지>

노벨 수상문의 첫머리에서는 예전에 다루었던 아인슈타인부터 시작합니다.

올해의 노벨 물리학상은 두 가지 중요한 분광학 기법인 레이저 분광학과 전자 분광학 발전에 기여한 세 명의 과학자, 즉 미국의 니콜라스 블룸베르헌과 아서 숄로, 그리고 스웨덴의 카이 시그반이 공동으로 수상하게 되었습니다.

이 두 가지 기법은 모두 알베르트 아인슈타인의 초기 발견에 바탕을 두고 있습니다. 지난 세기 물리학자들의 주요 난제 중 하나는 이른바...