올 노벨물리학상은 아토초 물리학 연구자들 품으로

전자 움직임 ‘슬로비디오’처럼 볼 수 있는 기술
노벨물리학상 다섯번째 여성 과학자 수상도

2023년 노벨 물리학상은 피에르 아고스티니 미국 오하이오주립대 교수, 페렌츠 클라우츠 독일 막스플랑크 양자광학연구소 교수, 안 릴리에 스웨덴 룬드대 교수(왼쪽부터)에게 돌아갔다. 노벨 재단 제공

2023년 노벨 물리학상은 원자와 분자 내부 전자 세계를 탐구할 수 있는 가장 정밀한 방법을 찾아낸 실험 물리학자들에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학아카데미 노벨 위원회는 3일(현지시간) 올해 노벨 물리학상 수상자로 피에르 아고스티니(82) 미국 오하이오주립대 교수, 페렌츠 클라우츠(61) 독일 막스플랑크 양자광학연구소 및 루드비히 막스밀리안대 교수, 안 릴리에(65) 스웨덴 룬드대 교수를 선정했다고 밝혔다.

노벨 위원회는 “이번 수상자들은 원자와 분자 내부의 전자가 이동하거나 에너지를 변화시키는 빠른 과정을 측정하는 데 사용하는 극도로 짧은 빛의 펄스를 생성하는 방법을 개발해 ‘아토초 물리학’을 발전시켰다”라고 수상 업적을 설명했다.

아토초는 1초의 10억분의1인 나노초를 다시 10억분의1로 나눈 값으로 펨토초의 1000분의1이다. 전자가 수소원자를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 150아토초다. 기존 펨토초 물리학으로는 화학 변화의 원인 분석과 제어에 한계가 생길 수밖에 없었는데, 이들의 연구 덕분에 이런 한계를 돌파하면서 자연의 초고속 현상을 관측하는 일이 가능해졌다. 아토초 물리학은 펨토초 물리학의 연장선에 있는 연구지만 한계를 돌파할 수 있다는 장점이 있다.

분자나 전자의 순간을 포착할 수 있는 ‘아토초 물리학’의 원리를 그림으로 표시한 일러스트 노벨 재단 제공

빠른 움직임을 관측하기 위해서는 빠르게 셔터를 누를 수 있는 카메라와 플래시가 필요한 것과 마찬가지다. 이번 수상자들은 아토초마다 펄스가 번쩍이며 움직이는 전자의 순간을 포착할 수 있도록 한 기술을 개발한 것이다.

정연욱 성균관대 나노과학과 교수는 “사진작가 앙리 카르티에 브레송의 ‘결정적 순간’이라는 작품처럼 이번 수상자들은 분자나 원자 속에서 전자가 움직이는 찰나의 순간을 포착할 수 있는 기술을 만들었다고 볼 수 있다”고 설명했다.

아토초 물리학은 일차적으로 화학이나 나노과학의 초정밀 분석 도구에서 물질의 성질이나 양자역학적 현상을 인위적으로 제어하는 도구로 활용할 수 있다.

분자 속 ‘결정적 순간’ 포착 기술 개발
아토 물리학 대가 폴 코쿰 제외는 의문

국내 초고속 광학 분야 석학인 남창희 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단 단장(GIST 물리광과학과 교수)은 “이번 수상자들은 가까운 시일 내에 노벨상을 탈 것으로 모두가 예상했던 이들”이라면서 “이들과 함께 아토 과학의 대가로 불리는 폴 코쿰 캐나다 오타와대 교수가 수상자에서 빠진 것이 의문”이라고 설명했다. ‘예비 노벨과학상’ 중 하나로 꼽히는 울프상의 지난해 물리학상 수상자로 페렌츠 클라우츠 교수, 안 릴리에 교수와 함께 폴 코쿰 교수가 같은 업적으로 선정됐기 때문이다.

한편 이번에 수상자로 선정된 안 릴리에 교수는 123년 노벨과학상 역사상 다섯 번째 여성 노벨물리학상 수상자로 이름을 올리게 됐다. 역대 여성 노벨물리학상 수상자는 1903년 마리 퀴리, 1963년 마리아 거트루드 메이어, 2018년 도나 스트리클런드, 2020년 앤드리아 게즈 등 4명이었다.

이번 물리학상 수상자들은 상금 1100만 스웨덴크로나(13억 6477만원)를 3분의1씩 나눠 받게 된다. 노벨 재단은 4일 화학상, 5일 문학상, 6일 평화상, 9일 경제학상 수상자를 발표할 예정이다. 노벨상 시상식은 알프레드 노벨의 기일인 12월 10일이 낀 ‘노벨 주간’에 스웨덴 스톡홀름(생리의학·물리·화학·문학·경제상)과 노르웨이 오슬로(평화상)에서 열린다.

유용하 기자