[표지로 읽는 과학]가속기 없이 만드는 강력한 방사광

네이처 제공.

이번주 네이처는 전자의 움직임으로 만들어진 레이저 빔이 생체나 물질의 구조를 들여다보는 모습을 표지에 실었다. 1970년대부터 거대 규모의 방사광 가속기에서 활용됐던 ‘X선 자유전자 레이저(FELs)’다. 

X선 자유전자 레이저는 광범위한 파장에서 방사선을 생성할 수 있으며 펨토초(1000조분의 1초) 단위의 초단파 펄스를 만들어낼 수 있다. 이같은 특성으로 생물학이나 화학, 물리학에서 원자와 분자를 미시 수준에서 들여다볼 수 있다. 생물학의 경우 세포가 죽기 직전의 모습을 관찰할 수 있을 정도다. 

‘X선 자유전자 레이저(FELs)’는 일반적인 레이저로는 만들어내기 어려운 주파수 영역에서 강력하고 일관된 방사광을 만들어낸다. 대규모 가속기에 의해 생성되는 강력한 고에너지 전자빔이 필요하기 때문에 X선 자유전자 레이저는 대규모 전용 시설에서만 활용할 수 있다. 

중국과학원(CAS) 산하 ‘상하이광학및미세기계연구소(SIOM)’의 웬타오 왕 연구원 연구진은 대규모 가속기에서만 생성할 수 있는 X선 자유전자 레이저를 규모를 대폭 줄인 장비에서도 생성해 낼 수 있는 핵심 기술을 이번주 네이처에 발표했다. 소형 X선 자유전자 레이저를 생성할 수 있는 가능성을 제시한 것이다. 

연구진은 플라즈마 파동을 통해 전자를 가속시키는 레이저 가속기의 전자 빔으로 간섭성의 바방사선을 생성하는 데 성공했다. 또 이 방사선의 에너지 출력을 약 100배 끌어올리는 데도 성공했다. 이는 연구진이 고안한 기술을 활용하면 대규모 방사광 가속기에서 생성하는 수준의 X선 자유전자 레이저를 생성해 낼 수도 있다는 의미다. 

네이처는 이번 연구결과에 대해 “기존 가속기 장비에서 생성하는 X선 자유전자 레이저의 성능과 동일한 성능을 아직 낼 수는 없다”면서도 “X선 자유전자 레이저 수준의 방사광을 만들어내는 기술의 안전성, 재현성, 효율성을 높이면 대학에서도 갖출 수 있는 소형 가속기로 구동되는 X선 자유전자 레이저를 만들 길을 열었다”고 평가했다. 
 

[김민수 기자 reborn@donga.com]