[2023 노벨상] 이젠 아토초보다 짧은 젭토초 펄스...韓도 뛰어든 ‘순간포착 연구’ 세계 대전

국내에서도 포스텍·GIST에서 아토초 연구 활발
아토초보다 짧은 젭토초 펄스 구현할 연구시설 기획
“아토초는 기초과학… 20년은 투자 필요”

노벨상 메달의 모습./클레망 모랭

올해 노벨 물리학상은 아토초 과학을 연구한 세 명의 연구자에게 돌아갔다. 국내에서도 아토초 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 연구자들은 “응용까지 오랜 시간이 걸릴 수 있지만, 꾸준한 투자가 중요하다”고 입을 모았다.

스웨덴 왕립과학아카데미 노벨 위원회는 3일(현지 시각) 올해 노벨 물리학상 수상자로 아토초 과학을 연구한 피에르 아고스티니(Pierre Agostini) 미국 오하이오 대학 교수, 페렌츠 크라우스(Ferenc Krausz) 독일 루트비히 막시밀리안대 교수, 안느 륄리에(Anne L’Huillier) 스웨덴 룬드대 교수를 선정했다고 밝혔다.

아토초(attosecond)는 100경분의 1초를 의미한다. 이처럼 짧은 간격의 빛인 ‘펄스’를 이용하면 원자 또는 분자 단위의 미시 세계에서의 전자 움직임을 관찰할 수 있다. 따라서 아토초 과학은 원자나 분자 내의 전자 움직임이나 반도체, 양자 물질 등의 재료의 특성을 면밀히 관찰해야 하는 분야에 적용할 수 있다.

국내에서도 아토초의 가능성을 엿본 곳이 있다. 포스텍과 광주과학기술원(GIST)이 대표적이다. 김동언 포스텍 아토초과학연구센터장은 “실험실에서 아토초 펄스를 구현했다”며 “고립된 아토초 펄스를 만든 것은 세계에서 세 번째로, 독일의 막스플랑크 연구소와 함께 동역학 연구를 하고 있다”고 설명했다. 막스플랑크 연구소는 이번에 노벨 물리학상을 받은 크라우스 교수가 있는 곳이다.

원자나 분자, 고체, 나노 물질에서 아토초와 젭토초(zeptosecond) 영역의 초고속 현상 탐구를 위한 연구단도 기초과학연구원에 꾸려졌다. GIST에 위치한 기초과학연구원(IBS) 초강력레이저과학연구단은 레이저를 이용해 양자 내 전자의 움직임을 관찰하는 등 근본 물리 현상을 연구하기 위한 시설을 꾸리고 있다.

김형택 GIST 고등광기술연구소 수석연구원은 “과학기술정보통신부에서 차세대 초강력레이저 시설 구축을 기획하고 있다”며 “아토초보다 1000분의 1 수준으로 짧은 젭토초 펄스를 구현할 수 있는 강력한 레이저로 고에너지 양자상태 측정하는 기술을 개발하려고 한다”고 밝혔다. 김 수석연구원은 “현재는 기획 단계로, 이달 말에 기획 연구를 끝내고 내년에 예비 타당성 심사에 도전할 것으로 예상한다”고 말했다.

남창희 GIST 물리광과학과 교수(IBS 초강력레이저과학연구단장)는 “아토초 단위의 과학을 실용적으로 쓰기에는 시간이 더 걸리지만 새롭게 활용할 분야가 나올 것”이라고 말했다. 이어 “기초과학 연구는 바로 실생활에 적용될 수도 있지만 시간이 걸리기도 한다”며 “기초과학 연구를 육성해야 하는 이유가 바로 이것”이라고 덧붙였다. 김형택 수석연구원도 “아토초 분야는 1990년대 말에서 2000년대 초반에 시작해서 20년이 넘어간 분야”라며 “한국도 지금부터 20년을 투자해 줘야 연구 성과를 낼 수 있다”고 밝혔다.

아토초 과학은 빠르게 일어나는 원자들의 상태 변화를 살필 수 있는 만큼 확장 가능성이 크다. 최강신 이화여대 스크랜튼대 교수는 “식물이 빛을 받아 양분을 만드는 광합성 과정이나 방사선을 받아 DNA가 손상되는 것도 관찰할 수 있다”고 설명했다. 임현식 동국대 물리반도체과학부 교수는 “반도체에서 전자가 이동하는 현상을 순간포착할 수도 있다”고 강조했다.

정연욱 성균관대 나노공학과 교수는 “아토초 과학은 시간상으로 엄청 짧은 플래시를 만든 셈”이라며 “초고속 현상을 정지 상태로, 즉 전자의 관점에서 원자 상태를 자세히 살필 수 있다”고 설명했다. 이에 대해 남 교수는 “실험실에서 학생들하고 제작해 헬륨 원자의 특성을 측정했다”며 “당시 한국에서는 우리만 연구했다”고 말했다.

한편 호주의 아토초 과학 시설과 그리피스대의 양자 역학 센터 연구진이 지난해 11월 젭토초 단위의 해상도를 구현하는 데 성공했다. 연구진은 “미래에 이 기술은 전례 없는 시간 분해능으로 원자와 분자의 다양한 빛 유도 과정의 초고속 역학을 측정하는 데 사용될 수 있다”고 설명했다.

참고 자료

Ultrafast Science(2022), DOI: 10.34133/2022/9834102

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