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빛을 보는 인류에서 빛을 다루는 인류로, 노벨물리학상의 기술들
최강록 수습기자  |  rkdfhr1234@uos.ac.kr
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승인 2018.10.16  
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이번 노벨 물리학상은 레이저를 이용해 기초 기술을 발명한 세 과학자에게 돌아갔습니다. 현대사회에서 레이저는 라식수술, 레이저 용접, 심지어는 레이저 쇼까지 없어서는 안되는 중요한 기술로 자리 잡았습니다. 이번에 노벨상을 받은 두 기술이 없었다면 레이저가 지금과 같은 위상을 얻기는 힘들었을 겁니다. 더욱 강하고 더욱 작음을 추구했던 세 과학자들의 기술을 구경해봅시다.

CPA, 혁신적인 아이디어로 레이저의 한계를 뛰어넘다

레이저가 등장한 지 20년이 돼가던 1980년 무렵, 레이저의 발전이 더뎌지기 시작했습니다. 보통 레이저는 전기와 같은 강한 에너지를 매질에 흘려 빛을 얻습니다. 레이저의 강도를 세게 하기 위해서는 더욱 강한 에너지를 흘려야 하는데 더 이상 에너지의 세기를 버틸 수 있는 물질이 없었던 것입니다. 그러던 와중 80년대 중반, 프랑스 에클폴리테크닉대 제라드 무루 교수와 캐나다 워털루대 도나 스트릭랜드 교수가 레이저 강도를 증폭시키는 새로운 방법을 개발해 냈습니다. 처프 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification, 이하 CPA)이라 불리는 이 방법은 매질에서 발생되는 레이저의 세기를 높이는 게 아닌 이미 발생된 레이저 빛을 증폭시키는 혁신적인 아이디어였습니다.

이 방법은 빛이 색깔에 따라 분리될 수 있다는 점을 이용했습니다. 빛을 색깔별로 나눠주는 거울인 회절격자를 그림과 같이 설치하면 빛의 색깔별로 이동하는 거리가 달라집니다. 여기에 레이저를 10-12초 정도로 짧은 순간 내뿜어 만든 레이저 펄스를 통과시킵니다. 그러면 짧은 거리를 이동하는 파랑색이 가장 먼저 나오고 긴 거리를 이동하는 빨강색은 가장 늦게 나옵니다. 이렇게 회절격자를 통과한 레이저 펄스는 색깔 별로 나눠지기 때문에 전보다 길이가 길어지고 세기가 약해지게 됩니다. 위에서 설명했듯이 레이저의 세기를 일정한 크기 이상으로 증폭시키는 것은 힘듭니다. 하지만 분광을 통해 레이저의 세기를 약하게 만들었기 때문에 이제 이것을 증폭시킬 수 있습니다. 증폭된 레이저 펄스를 처음과 반대로 된 분광거울에 통과시키면 모든 색이 다시 한곳으로 모일 수 있게 되므로 전보다 세기가 훨씬 더 커진 레이저 펄스를 얻을 수 있게 되는 것입니다.

CPA를 사용하면 그 전까지와는 다른 아주 강력한 레이저를 만들 수 있습니다. 따라서 이전에는 약한 출력 때문에 레이저의 정교함이라는 장점을 이용하지 못하던 라식 수술부터 금속 가공분야에까지 레이저를 이용할 수 있게 됐습니다. 또한 이 엄청난 에너지를 이용하면 입자를 가속시킬 수 있는데, 이를 통해 수 킬로미터의 길이가 필요한 입자가속기를 몇 미터 정도로 줄이는 것도 가능합니다. 우리대학 물리학과 손주혁 교수는 “CPA기술이 내 연구실에도 쓰이고 있다”며 “CPA는 물리학의 발전에 기여한 중요한 기술”이라고 말했습니다.

   
▲ 그래프의 가로축은 시간, 세로축은 세기를 나타낸다. (1)레이저가 펄스 형태로 CPA장치에 들어간다. (2)레이저가 회절격자를 거친 후 주파수에 따라 분리된다. 이것을 처프(Chirpe)라고 부른다. (3)처프된 레이저는 증폭기의 매질을 손상키지 않고도 증폭될 수 있다. (4)증폭된 빛이 회절격자를 다시 통과하는 과정을 통해 강한 레이저를 얻을 수 있게 된다.
레이저 집게, 나노 세계를 다루는 집게를 만들다

드라이기 위에 탁구공을 올려놓으면 탁구공을 안정적으로 띄울 수 있습니다. 미국 코넬대 아서 애쉬킨 교수가 발명한 레이저 집게도 같은 원리를 사용합니다. 레이저를 구형 물체에 쏘면 구형 물체는 레이저의 중심 방향으로 힘을 받게 됩니다. 레이저가 굴절되며 물체에 힘을 가하기 때문이죠. 볼록렌즈를 사용해 한 초점에 레이저가 모이도록 만들면 물체는 그 초점에 고정됩니다. 이를 이용해서 아주 작은 물체를 움직일 수 있게 되는 것입니다.

이 집게의 발명은 현대 생물학에 큰 기여를 했습니다. 레이저 집게로 세포나 바이러스는 물론이고 단백질까지 고정할 수 있기 때문입니다. 한 예로 세포 속에는 키네신이라는 물질 이동 단백질이 있습니다. 과학자들은 이 단백질이 물질을 이동시킨다는 것만 알았지 그 힘의 크기에 대해서는 모르고 있었습니다. 하지만 이 단백질을 레이저 집게로 고정시켜 두고 레이저의 밝기를 줄이면서 단백질이 탈출하는 순간 레이저 집게의 힘을 측정하여 힘의 크기를 알아냈습니다. 레이저 집게는 이외에도 다양한 실험의 기본적인 도구로써 사용되고 있습니다.

레이저 연구 분야는 실생활에 곧바로 응용되지 못하는 기초과학 분야로 생각돼왔습니다. 그러나 이 분야에서 꾸준히 자신의 연구를 하는 분들이 있었기에 현재의 발전이 있을 수 있지 않았을까요.


최강록 수습기자 rkdfhr1234@uos.ac.kr
 

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