2023년 노벨 물리학상 수상자들:(왼편부터) 미국 오하이오 주립대학교의 Pierre Agostini피에르 아고스티니,
독일 막스 플랑크 연구소와 뮌헨의 루드비히-막스밀리안스 대학교 Ferenc Krausz/페렌츠 크라우스,
스웨덴의 룬드 대학교의 Anne L'Huillier/안네 륄리에르
2023년도 노벨 물리학상은 1 아토초(100 경분의 1초) 섬광/1 attosecond pulse 빛을
생성하는 방법을 개발한 세 물리학자들에게 수여되었다.
이 찰나의 빛 덕분에 모든 물질의 기초인 원자와 전자의 움직임을 볼 수 있는
전자 동력학/electron dynamics의 새 시대를 열게 해 준
공로로 올해 수상자로 선정되었다고 노벨상 위원회가 밝혔다.
올해 노벨 물리학상 수상자들은 오랜 실험을 통해서
원자와 분자를 이루는 전자의 움직임을 관찰할 수 있는
아주 아주 짧은 섬광(빛)을 생성하는 데 성공해서
전자들이 아주 빠르게 움직이는 과정과
이로 인해서 에너지가 변하는 것을 실제로 관측할 수 있게 되었다.
1987년에 안네 륄리에르 박사는 적외선 레이저를
불활성 기체를 투과시키면
다수의 빛의 배음/overtones of light의 광파가 발생한다는 것을 발견했다.
이런 현상은 비활성 기체의 원자들과 자외선 레이저가
상호작용을 하면서 일어나는 현상으로
에너지를 받은 전자들이 에너지에 따라서
다양한 배음으로 빛을 발하기 때문이다.
2023년 노벨 물리학상 수상 소식을 듣고 스웨덴의 룬드 대학교에서
기자들과 인터뷰를 하는 안네 륄리에르 박사
그리고 이 광파는 일정한 주기/period를 갖고 있는데,
기존에 알려진 어떤 빛보다 아주 짧은 주기로 진동하는 것을 관측했다.
그녀는 이런 빛의 배음 현상을 지속적으로 연구해서
전자 역동학의 기초를 다졌다.
올해 노벨 물리학상 수상자로 선정되었다는 전해 들은 피에르 아고스티니 박사
2001년에 아고스티니 박사는 지속적이며 연속적으로
발생하는 섬광/attosecond light pulses를 생성하는 데 성공해서
각 섬광이 250 아토초 기간 동안 유지한 것을 관측했다.
수상 소식을 듣고 축하하는 지인들과 함께 한 페렌츠 크라우스 박사
한편, 거의 같은 시기에 크라우스 박사는 다른 방법의 실험을 통해서
하나의 빛 펄스/pulse가 650 아토초동안 유지하는 것을 생성하게 되었다.
이 세 물리학자들의 연구로 개발된 아주 짧은 아토초 빛 덕분에
아주 빠르게 발생하는 현상을 관측하는 것이 가능하게 되었다.
1 아토초는 상상하기 어려울 정도로 아주 짧은 시간이어서
우주가 나이에 해당하는 100경 초와 맥박이 한 번 뛰는 1초로 비교할 수 있다.
극미 세계에서 분자나 원자, 그리고 원자 안의 전자는
아주 빠른 속도로 움직인다.
이를 관찰하기 위해서는 순간 포착할 수 있는 극도로 짧은 파장이 필요하다.
빠르게 움직이는 물체를 찍기 위해서
카메라 셔터 속도가 빨라져야 하는 것도 같은 원리이다.
분자는 펨토초(1000조 분의 1초) 파장의 빛으로 관찰이 가능하고,
컴퓨터나 스마트폰은 마이크로초(100만 분의 1초)에서
나노초(10억 분의 1초)의 속도인데 반해서
원자 atoms와 원자 내의 전자/electrons는 훨씬 빨리 움직여서
아토초(100 경분의 1초) 단위의 빛의 펄스가 개발되어서
이들의 움직임을 포착할 수 있게 되었다.
한 예를 들면, 수소 원자 내의 전자는 핵을 중심으로 회전하는데
걸리는 시간이 약 150 아토 초이며,
전자가 한 에너지 레벨에서 다음 에너지로 점프하는 시간은
수백 아토초가 걸린다는 것이 관측되었다.
이 기술은 다양한 분야에 걸쳐서 획기적이고 중요한 응용될 수 있게 되었다:
- silicon dioxide를 사용한 아주 빠른 스위치 개발
- Molecular fingerprinting of biological samples/세포 분자의 감식을 통해
암을 비롯해서 다양한 질병의 초기 발견
- 광합성의 순간을 원자 단위로 관찰
- 방사선이나 유해물질에 노출되어 손상된 유전자 관찰
륄리에 교수는 역대 다섯 번째 여성 노벨 물리학상 수상자가 되었으며,
크라우스 교수는 독일 막스플랑크연구소가 포스텍과 함께 세운
막스플랑크 한국·포스텍 연구소(MPK)에서 아토초 펄스를 연구한 바 있다.
