[시리즈 연재] 7편 아토초 펄스로 마무리되는 여정

오늘 다룰 노벨상은 꽤 최근인 2018년 노벨 물리학상입니다. 2018년 노벨 물리학상은 "레이저 물리학 분야의 획기적인 발명"에 수여되었으며, 절반은 "광학 집게와 그 생물학적 시스템에 대한 응용"을 공로로 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)에게, 나머지 절반은 "고강도 초단광 펄스 생성 방법"을 공로로 제라르 무루(Gérard Mourou)와 도나 스트릭랜드(Donna Strickland)에게 공동 수여되었습니다. (에슈킨의 광학 집게 (Optical tweezers)도 굉장히 재밌는 내용이지만 시리즈의 일관성을 위해 다음 기회로 미루도록 하겠습니다.) <노벨상 공식 홈페이지> 6편에서는 5-2편에서 다룬 펨토초 펄스를 어떻게 '증폭'시켰는지 알아보려고 합니다. 사실 레이저 출력을 증폭시키는 것은 레이저가 발명된 이후 계속 이어져 왔지만 펨토초 레벨로 오면서 다른 문제가 생겼습니다. 제라르 무루와 도나 스트릭랜드는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification, CPA)이라는 발명으로 상을 받습니다. 이는 매우 강렬하고 짧은 펄스의 레이저 빛을 생성하는 방법입니다. 1960년 최초의 레이저가 만들어진 이후 더 강렬한 레이저 펄스를 만들기 위한 노력이 진행되어 왔습니다. 그러나 1980년대 중반에 이르러 레이저 빛의 강도가 증폭 물질 자체를 파괴했기 때문에 이러한 실험은 교착 상태에 빠졌습니다. - Nobel Prize in Physics 2018 Award Ceremony Speech 핵심 문제는 레이저를 증폭시키기 위한 '물질'이 있는데 펨토초 레이저 펄스를 증폭시키다 보면 그 물질이 파괴되는 것이었습니다. 이 문제가 먼저 왜 생겼는지 클로드의 시각화 도움을 받아 확인해보시죠. 펄스의 폭이 2초짜리입니다. 저 면적은 '에너지'이고 고정된 값입니다. 펄스의 피크 파워는 약 500 마이크로 와트(0.5 mW)로 굉장히 작습니다. 펄스 폭이 좁아지면 어떻게 될까요? 펄스 폭을 약 0.1초로 20분의 1로 줄였습니다. 그러자 peak power는 0.5 mW에서 9.4 mW로 매우 커진 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 그래프 아래 면적에 해당하는 에너지는 1 mJ로 그대로입니다. 5-1편에서 살펴봤던 나노초 스케일로 가볼까요? 더 두꺼워져 보이지만 x축의 단위가 s(초)에서 ns (나노초)로 바뀌었기 때문입니다. 아마 이걸 초 단위의 x축으로 보면 x축에 수직한 하나의 선처럼 보였을 것입니다. 여전히 면적은 1 mJ로 동일한데 peak power를 한 번 보시죠. 무려 500 kW로 엄청 강해졌습니다. 그럼 이걸 ...

드디어 1999년 노벨 화학상 "펨토초 분광학을 이용한 화학 반응의 전이 상태 연구"를 다루겠습니다. <노벨상 공식 홈페이지> 오프닝 멘트는 노벨상 시상식 연로 대신하겠습니다. 우리 화학자들은 분자와 그 내재적 본질을 이해하고 싶어 하며, 분자들이 만났을 때 어떤 일이 일어날지 예측하고 싶어 합니다. 약하게 결합할까요, 아니면 격렬하게 반응하여 새로운 분자를 형성할까요? 무엇보다도 우리는 생명이라 불리는 복잡한 화학을 이해하고자 합니다. 지식의 혁명을 통해 오늘날 분자는 생물학과 의학부터 환경 과학, 기술에 이르기까지 모든 분야의 중심에 섰습니다. 화학의 핵심은 화학 반응, 즉 원자 간의 화학 결합이 끊어지고 형성되는 과정입니다. 그렇다면 화학 반응은 어떻게 일어날까요? 우리는 반응이 서로 다른 속도로 진행될 수 있다는 것을 압니다. 못이 녹스는 데 걸리는 시간과 다이너마이트 폭발을 비교해 보십시오! 알프레드 노벨은 반응 속도의 중요성을 알고 있었습니다. 다이너마이트가 너무 빨리 반응하면 대포에 쓸 수 없고 터져버릴 것이기 때문입니다. 그는 온도가 높을수록 화학 반응이 더 빠르게 진행된다는 것도 알았지만, 그 이유는 알지 못했습니다. 그러나 이는 웁살라의 물리화학 강사(docent) 스반테 아레니우스에 의해 밝혀졌습니다. 네덜란드 과학자 야코부스 반트 호프(1901년 제1회 노벨 화학상 수상자)에게 영감을 받은 아레니우스는 반응 속도에 대한 최초의 이론과, 100년이 넘게 사용되고 있는 온도 의존성 방정식을 제시했습니다. 아레니우스 자신도 다른 업적으로 세 번째 노벨 화학상(1903년)을 받았습니다. - Nobel Prize in Chemistry 1999 Award Ceremony Speech 제가 1-1편에서 말씀드렸던 내용과도 연결됩니다. 기본적으로 화학(Chemistry, 化學)은 한자에서 알 수 있다시피 ‘변화’를 공부하는 학문입니다. 영어로 Chemistry인데 연금술(alchemy)에서 유래했다고 알려져 있습니다. 연금술도 값싼 물질들로 ‘금’을 만드는 기술이라는 관점에서 결국 변화를 위한 기술로 이해할 수 있습니다. 그러면 필연적으로 물질에 대한 정확한 이해가 요구됩니다. 예를 들어, 누가 연금술로 금을 만들었다고 주장하려면 ‘금’의 특성이 무엇인지 그리고 그 특성을 확인하는 방법이 무엇인지 모르면 이게 금인지 은인지 알 수 없습니다. 소위 이게 짭인지 찐인지 알 수 있어야 합니다. 그래서 물질의 특성을 파악하는 것은 화학의 중요한 주제입니다. 즉, 화학은 변화를 공부하는 학문이고, 이를 위해서는 변화하기 전과 후의 물질의 특성을 이해하고 파악할 수 있어야 합니다. 위에서 보시다시피 화학반응이라는 단어를 들으시면 서로 다른 물질을 섞었을 때 새로운 물질이 생기는 모습을 떠올리실 수 있을 겁니다. 물질이 어떤 조건에서 다른 물질로 변하거나 혹은 다른 물질과 섞어서 새로운 물질로 변하면 그것이 바로 화학 반응입니다. 쉽게 접할 수 있는 화학반응 중 하나는 사과의 갈변현상입니다. 깎아 둔 사과가 공기 중에 산소와 ‘화학반응’하여 색깔이 변한 것이죠. 이 반응은 눈에서 200 펨토초만에 일어나는 반응과 비교했을 때, 매우 느리다는 것을 쉽게 받아들이실 수 있을 것입니다. 사과를 깎자마자 바로 갈변하진 않으니깐요! 더 느린 화학반응은 녹이 스는 것을 예시로 들 수 있겠습니다. 이처럼 화학반응은 반응 종류에 따라 각각 다른 속도를 가집니다.- 시리즈 1-1편 그렇게 화학자들은 나노초 수준까지 반응속도를 관측 했었고 이를 다룬 것이 바로 시리즈 1편의 스토리였습니다. 하지만 당시에는 빠른 펄스 레이저 기술이 없었고 그것이 더 빠른 반응속도를 관측하는데 병목중 하나였습니다. 그 병목을 해소한 펨토초 레이저가 어떤 배경에서 등장했는지 설명하기 위해, 저는 앞선 글에서 광펌핑·레이저 기술·분광학 기술을 노벨상과 연결해 소개했습니다. 그러면 즈웨일은 얼마나 빠른 수준으로 무엇을 어떻게 측정했기에 노벨상을 ...

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 ...