좌측부터 고등광기술연구소 이종민 교수, 김철민 박사, 야눌레비치 교수

이 연구성과는 물리학분야의 최고 권위지로 꼽히는 「피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)」 2월호에 소개되었다.

 ☞ http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.053901

□ 고차조화파 엑스선 광원은 원자나 분자에서 일어나는 전자의 움직임을 나노미터 (10

   억분의 1미터, 10-9 m)와 펨토초 (1천조분의 1초, 10-15 s) 수준에서 관측할 수 있

   게 해주는 도구이다.

   이 광원은 강력한 극초단 가시광 레이저 펄스를 원자에 쪼였을 때 나오는 빛으로부

   터 얻어지며 매우 우수한 결맞음과 펨토초 이하의 펄스폭을 갖는다. 하지만 광원의

   세기가 약한 것이 여러 분야에 응용하는 데에 걸림돌이 되어 왔다. 이를 극복하고자

   고차조화파 펄스를 엑스선 레이저 증폭기에 입사시켜서 세기를 향상시키려는 시도가

   전 세계의 여러 그룹에서 이루어지고 있다.

□ 이번 연구성과의 의의는 이 엑스선 레이저 증폭기의 작동원리를 명확히 밝힌 것이

   다. 기존의 이론들이 증폭기의 잡음과 파동적 특성을 무시한 반면, 이종민 교수의

   연구팀은 이들 요소를 모두 고려한 이론을 제안하여, 잡음이 엑스선의 특성에 어떤

   영향을 미치는지, 또 우수한 특성을 유지한 채 세기를 향상시키기 위해서는 어떤 조

   건이 필요한 지 설명하였다.

   이 성과를 바탕으로 지금까지 보고된 실험 결과가 체계적으로 이해될 수 있고, 더 

   나아가 강력한 극초단 엑스선 광원의 실현이 앞당겨질 것으로 기대된다. 유럽연합의

   초대형 레이저 프로젝트인 ELI (Extreme Light Infrastructure) 사업에서 고출력용

   다단계 엑스선 광원 증폭기 개발이 기획중인데, 이번 연구결과는 이러한 증폭기를

   디자인하는 데에 매우 중요하게 활용될 수 있다.

□ 이번 연구를 이끈 이종민 교수는 “현재 연구소가 보유한 극초단 초고출력 레이저

   시설인 ‘극초단 광양자빔 연구시설’을 활용해 물투과창 영역의 극초단 결맞음 엑

   스선 광원을 개발하고 있다.”면서 “이번 성과로 인해 이러한 개발이 한층 가속화

   될 것이다.”고 덧붙였다.

※ 용어설명

1. 고차조화파 엑스선

가시광 영역의 강력한 레이저를 기체에 쪼여주면, 레이저의 강한 전자기장이 기체 원자의 전자를 격렬하게 흔들어서 엑스선이 발생된다. 이 엑스선은, 기존의 엑스선관이나 방사광 가속기에서 얻어지는 엑스선과는 달리, 결맞음이 매우 우수하고 그 시간폭이 펨토초 이하로 짧아서, 원자나 분자에서 일어나는 전자의 운동을 탐구하는 데에 매우 유용하다.

2. 결맞음

파동의 특성 중 하나인데, 잔잔한 연못에 작은 돌 하나를 떨어뜨렸을 때 생기는 수면파는 결이 잘 정의 되어 있으므로 결맞음이 우수하지만, 여러 개의 돌을 제멋대로 떨어뜨리는 경우에는 결이 잘 정해지지 않아 결맞음이 좋지 않다. 결맞음이 좋은 두 파동은 명확한 간섭을 일으킨다.

3. 극초단 레이저 펄스

펄스폭이 피코초(1조분의 1초)나 펨토초(1천조분의 1초), 아토초(100경분의 1초)에 이를 정도로 짧은 레이저 펄스를 일컫는데, 이를 이용하면, 초정밀 측정과 초고속 현상의 측정 및 제어가 가능해 초고속 자연현상과 원자 분자의 움직임 등을 관찰할 수 있다. 

4. 물투과창 영역

파장이 2.3~4.3 ㎚ 사이인 엑스선 광원 영역을 일컫는데, 이 파장영역에서는 세포의 주요 구성물질인 질소, 산소, 수소에 대한 엑스선 흡수율이 물에 비하여 약 10배 정도로 높기 때문에 물투과창 영역이라고 불린다. 물투과창영역의 엑스선은 물은 투과하고 생체 물질에는 흡수되므로, 이를 광원으로 이용하여 엑스선 현미경을 제작하면 살아있는 상태의 세포를 촬영할 수 있다.

<2010.2.26 중앙일보, 매일경제, 전자신문, 뉴시스, 연합뉴스, 아시아경제

           광남일보, 호남매일 게재>