[시리즈 연재] 5-3편 펨토초 분광학으로 화학반응 살펴보기!

5-1편에서 나노초 레이저 원리 중 하나인 Q-switch에 대해서 아주 간단히 살펴봤습니다. 해당 기술로보통은 나노초대이며, 특수한 설계에서는 수백~수십 피코초까지도 가능합니다. 그보다 더 빠른 펄스를 만들려면 새로운 방법이 필요하고 그게 오늘 다룰 'Mode-Locking'방식입니다. 이 방법으로 피코초 그리고 펨토초 수준까지 짧은 펄스를 만들 수 있습니다. 잠깐 이 나노초, 피코초 그리고 펨토초에 대해서 얼마나 짧은 순간인지 상기시켜드리기 위해 프롤로그 일부를 다시 가져왔습니다. 우리에게 가장 익숙한 시간 단위인 1초에 빛은 약 30만 km를 가는데, 이는 서울-부산 거리를 400 km로 했을 때 750번 이동할 수 있습니다. 자동차로 시속 100 km 속도로 약 '4개월' 동안 쉬지 않고 달려야 하는 거리를 빛은 겨우 '1초'만에 갑니다. 200 펨토초는 그렇게 빠른 빛이 겨우 0.06 밀리미터, 겨우 머리카락 두께와 비슷한 수준밖에 가지 못하는 아주 짧은 시간입니다. 무려 200 펨토초가 이정도니깐, 2 피코초면 빛이 0.6 밀리미터를 가는 셈입니다 (1000 펨토초 = 1 피코초). 2 나노초가 되면 600 밀리미터니 빛이 60 cm 정도 갑니다. 초고속 카메라로 예를 들면 Vision Research의 Phantom TMX 7510 (한화 약 5억원 수준)은 FAST 옵션 사용 시 1280 × 32 픽셀에서 최대 약 175만 fps를 촬영할 수 있는데 이는 프레임 간 간격으로 환산하면 약 571 나노초 수준입니다. 그러니 지금 이 시리즈에서 다루는 '찰나'의 시간이 얼마나 짧은지 어느정도 감이 잡히실 것이라 생각합니다. 레이저에서 모드란 그럼 도대체 무엇일까요? 이 질문을 답하기 위해서 조금 돌아갈 필요가 있습니다. 3편에서 갖고온 그림입니다. 객실2까지 호텔 ...

이번 5편에서 다룰 노벨상은 1999년 화학상이며 "펨토초 분광학을 이용한 화학 반응의 전이 상태 연구"로 아메드 H. 즈와일에게 수여되었습니다. 하지만 본격적으로 다루기 전에 어떻게 '펨토초'에 도달하게 됐는지 간략하게 설명드리고자 합니다. 나노초에서 펨토초 레이저로 발전해 가는 과정은 한 번의 거대한 발견이라기보다는 수많은 과학자와 공학자들의 점진적인 기술 혁신이 쌓인 결과였습니다. 따라서 이 '과정' 자체에 단일 노벨상이 주어지진 않았습니다. (다만, 펨토초 레이저의 증폭 관련 CPA(Chirped Pulse Amplification)와 아토초 펄스 개발은 둘 다 노벨상을 받았고 남은 6편과 7편 시리즈로 다룰 예정입니다!) 시리즈 연재 1-3편과 1-5편을 보면 1960년 전후로 측정 가능한 화학 반응 속도는 마이크로초 그리고 나노초 수준이었습니다. 당시 만프레트 아이겐의 인터뷰 발췌한 부분에서 다시 확인해보시죠. 말씀드리죠. (제가 노벨상을 받은 것이) 1967년이었으니, 그 상을 받게 된 핵심 연구는 이미 55년, 56년, 57년에 이루어진 상태였습니다. 1960년대에 들어서야 이 방법이 범용적으로 적용 가능하다는 것이 밝혀졌고, 우리는 심지어 나노초(nanosecond) 단위까지 측정 범위를 좁혔습니다. 요즘 사람들은 펨토초(femtosecond)까지도 다루지만... 뭐, 그 당시에는 아직 그런 기술이 없었으니까요. 제가 54년에 패러데이 학회(Faraday Society) 모임에 참석했던 기억이 납니다. 거기서 '빠른 반응(fast reactions)'에 대해 논의가 오갔는데, 하트리지(Hartridge)와 로우턴(Roughton)은 밀리초(millisecond) 단위의 혼합에 대해 이야기하면서 그걸 '매우 빠른(very fast)' 반응이라고 불렀습니다. 왜냐하면 그 이전에는 '초(second)' 단위 정도만 ...

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 ...

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 ...