[시리즈 연재] 7편 아토초 펄스로 마무리되는 여정

점점 더 짧은 펄스를 추구함에 따라 연구자들은 100경 분의 1초를 의미하는 아토초(attosecond) 수준에 더 다가갈 수 있게 되었습니다. 이는 원자와 분자 내 전자의 움직임을 연구할 수 있는 길을 열어줍니다.-Nobel Prize in Physics 2018 Award Ceremony Speech

'찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기'의 마지막은 찰나 중의 찰나인 아토초 펄스 이야기입니다. 6편에서 다룬 2018년 노벨 물리학상 Award Ceremony 연설에 언급된 아토초 펄스는 "물질 내 전자 역학 연구를 위해 아토초 빛 펄스를 생성하는 실험적 방법"을 공로로 인정받아 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 륄리에에게 2023년 노벨 물리학상이 수여됐습니다.

<노벨상 공식 홈페이지>

심장 박동 한 번은 100경(1,000,000,000,000,000,000) 아토초 동안 지속됩니다. 이는 우주가 탄생한 이후 지금까지 흘러간 시간(초)과 같은 숫자입니다. 아토초는 전자의 세계, 즉 우리가 이제 탐구할 수 있게 된 세계의 시간 척도입니다. 1925년, 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 이 세계를 볼 수 없다고 주장했지만, 아토초 빛 펄스 덕분에 이는 바뀌기 시작했습니다. 가장 큰 과제는 극도로 짧은 시간 척도였습니다. 이 장벽을 극복하는 데는 수십 년이 걸렸습니다. 아토초 과학을 통해 우리는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 1921년 노벨 물리학상을 받게 한 광전 효과의 시간 척도와 같은 근본적인 질문들을 다룰 수 있게 되었습니다. -Nobel Prize in Physics 2023 Award Ceremony Speech

펨토초 레벨까지 인류는 다가섰지만 그보다 더 빠른 펄스를 만드는 것은 근본적으로 불가능해 보였습니다. 왜냐하면 빛은 결국 전자기파, 파동이며 한 주기의 길이(=파장)보다 더 짧은 펄스를 만드는 것은 이론적으로 성립하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 저번 시간에 살펴본 800 nm 파장의 레이저는 빛의 속도로 진행하기 때문에 '진동수'가 정해져 있습니다. 800 nm 빛이 한 번 진동하는데 걸리는 시간은 2.67 fs (펨토초) 입니다. 이보다 더 짧은 빛을 만드려면 애초에 이보다 훨씬 짧은 파장이 필요한 셈이지요. 800 nm 파장의 10분의 1, 80 nm (극자외선, EUV) 수준의 영역은 되어야 267 as (아토초) 영역으로 갈 수 있습니다. 이런 극자외선을 만드는 것만 해도 엄청난 기술이 필요한데 이를 펄스 형태로 아토초 레벨까지 가는 것은 또 다른 기술이 필요한 셈입니다.

아주 자세히 설명드리자면 조금 복잡하지만 기술의 토대는 4편에서 언급한 '비선형 광학'의 연장선에 있다고 보시면 됩니다. 800 nm 빛을 비선형 결정에 강한 세기로 통과시키면 400 nm 빛이 탄생할 수 있다고 말씀드렸습니다. 이 효과의 수식에는 사실 1, 2,...