'초강력 레이저과학 연구단' 그룹 리더 김경택 GIST 교수

아토초 레이저로 원자ㆍ분자의 초고속 현상 밝힌다

전자가 원자핵을 한 바퀴 도는 시간은?

"일상적으로 빠른 시간을 말할 때 '눈 깜짝할 새'란 표현을 쓰지요. 하지만 연구자 입장에서는 1000분의 1초라는 눈 깜짝할 새도 굉장히 긴 시간입니다. 이에 비해 아토초는 소수점 아래에 0이 17개나 있는 10-18초라는 아주 짧은 시간이죠." 초강력 레이저과학 연구단에서 아토초 과학 연구그룹을 맡고 있는 김경택 교수는 2000년대 초에 시작된 아토 과학에 대해 이렇게 설명하기 시작했다. 김 교수는 "연구단은 초강력 레이저라는 아주 센 빛과 원자, 분자 같은 물질의 상호작용을 연구한다"며 "이 중에서 아토초 과학 연구그룹은 원자나 분자의 운동상태, 그 속에서 일어나는 초고속 현상을 다룬다"고 밝혔다.컴퓨터, 스마트폰 같은 전자장비는 마이크로초(100만분의 1초)나 나노초(10억분의 1초)에 신호 처리나 계산이 이루어진다. 펨토초(1000조분의 1초, 10-15초)의 시간 규모에서는 분자들의 회전 또는 해리(dissociation)가 벌어지는 한편, 아토초 시간 규모에서는 원자에서 전자가 이온화되는 현상이 일어난다. 아주 가벼운 분자는 수 펨토초에 운동하고, 수소 원자에서 전자가 원자핵을 한 바퀴 돌 때 160아토초가 걸린다. 김 교수는 "아토초 해상도의 레이저 펄스를 이용해 카메라로 사진을 찍듯이 시간에 따라 스펙트럼을 찍을 수 있다"며 "예를 들어 원자의 이온화 같은 초고속 현상을 알아낼 수 있다"고 말했다. 이처럼 원자, 분자, 고체, 나노구조체 내에서 일어나는 초고속 현상이 아토초 과학에서 연구하려는 주제라고 한다.
그렇다면 아토초 펄스는 어떻게 생성시킬 수 있을까. 김 교수는 "고차조화파(high harmonic generation)를 이용하거나, 결맞는 웨이크 발생(coherent wake emission) 또는 상대론적 진동 거울(relativistic oscillating mirror)을 이용해 아토초 펄스를 생성할 수 있다"며 "현재까지는 테이블 탑 크기의 소규모로 실험할 수 있어서 고차조화파 이용법을 가장 많이 연구해 왔다"고 설명했다.

아토 과학의 대가를 만나다

특히 고차조화파를 이용해 아토초 펄스를 생성하는 과정은 이온화, 가속, 충돌이라는 3단계 모형으로 이해할 수 있다. 즉 원자나 분자에 초강력 레이저를 쏘면 전자가 이온화되고, 이온화된 전자가 멀어지다가 레이저장의 부호가 바뀌면 반대 방향으로 가속되며, 가속된 전자가 원자나 분자와 충돌하면서 고차조화파를 방출하는데, 이 고차조화파를 이용해 아토초 펄스를 생성할 수 있다.
아토초 펄스는 레이저 펄스의 반주기마다 생성되므로 하나가 아니라 열(train)의 형태로 나타난다. 문제는 여기-탐사(pump-probe) 실험에 응용하기 위해서 단일 아토초 펄스가 필요하다는 것이다. 어떤 펄스 하나를 넣어줘서 원자나 분자에서 전자를 들뜨게 하고 그 다음에 다른 펄스를 갖고 어떤 일이 벌어졌는지 측정할 수 있기 때문이다. 김 교수는 KAIST에서 남창희 교수의 지도하에 아토초 펄스의 발생, 측정과 관련된 주제로 석사와 박사 학위를 받았다. KAIST 결맞는 X선 연구단, 광주과학기술원 고등광기술연구소를 거쳐 캐나다 오타와대학 및 국립연구회(National Research Council)의 공동아토초연구실(Joint Attosecond Laboratory)에서 연구원으로 지냈다. 그는 "아토 과학의 대가인 폴 코쿰(Paul Corkum) 교수와 함께 연구하고 싶어서 그가 있는 캐나다로 가게 됐다"고 말했다. 코쿰 교수는 아토초 펄스의 생성을 설명하는 3단계 모델을 제시한 사람이다. 2013년 김 교수는 코쿰 교수와 함께 ＜네이처 포토닉스(Nature Photonics)＞, ＜네이처 피직스(Nature Physics)＞에 표지논문을 발표하는 성과를 거두었다. ＜네이처 포토닉스＞논문에서는 고차조화파의 반주기마다 생성되는 아토초 펄스들이 서로 다른 방향으로 진행한다는 '아토초 등대 효과'가 나타남을 증명했으며,＜네이처 피직스＞논문에서는 매질 내에서 아토초 펄스가 어떤 위치에 어떤 시간에 어떻게 형성되는지 측정하는 방법을 개발해 제시했다.
그는 "이 결과들을 통해 아토초 펄스를 분리해낼 수 있으며, 이를 원자․분자의 구조나 반응, 초고속 현상을 측정하는 데 응용할 수 있음을 보여주었다"고 설명했다.

아토초에 작동하는 전자소자 개발에 도전

그동안 아토초 물리는 주로 원자, 분자를 대상으로 진행돼 왔다. 예를 들어 분자 운동을 연구하다 보면 DNA가 어떤 구조로 이루어져 있는지, 광합성 같은 현상이 어떻게 일어나는지 좀 더 깊은 수준에서 알 수 있다.
최근에는 많은 연구그룹들이 아토초 물리를 플라즈모닉스(plasmonics), 또는 고체 내에서 전자의 초고속 현상을 이해하려는 연구에 뛰어들고 있다. 김 교수는 "나노구조체 근처 혹은 고체 내에서 전자가 어떻게 움직이는지에 대한 연구가 시작되고 있다"며 "앞으로 아토초의 속도로 움직일 수 있는 전자소자를 개발할 가능성이 있기 때문"이라고 밝혔다. 또 상대론적 진동 거울을 이용해 아토초 펄스를 생성시키는 연구도 주목받고 있다. 김 교수는 "초강력 레이저과학 연구단의 주요 목표 중 하나가 상대론적 현상에 대한 연구"라며 "플라스마 안에서 전자가 상대론적으로 가속되거나 감속되면서 생성되는 아토초 펄스를 어떻게 측정하고 제어할지를 연구할 것"이라고 말했다. 그는 또 "이를 통해 펄스폭이 아토초 펄스보다 더 짧은 젭토초(10-21초) 펄스의 가능성에 도전할 수 있다"며 "젭토초 영역까지 가면 원자․분자의 전자 운동뿐 아니라 핵 운동에 대한 연구도 가능할 것"이라고 덧붙였다.

초강력 레이저과학 연구단은 세계적 연구그룹과 경쟁하고 있다. 김 교수는 "막스플랑크 연구그룹, 캐나다 NRC 등의 톱 연구그룹을 뛰어넘을 것"이라고 포부를 밝혔다. 레이저 분야에서 많은 과학자들이 노벨상을 받았는데, 1999년에는 초고속 레이저로 분자와 원자의 움직임을 관찰하는 방법을 연구하는 '펨토화학'을 개척한 아흐메드 즈웨일 박사가 노벨화학상을 받았다. 머지않아 아토 과학 분야에서도 노벨상이 나올 것으로 기대된다.