극한 환경에서의 다이아몬드의 광학 특성

오사카대학 대학원 공학연구과의 대학원생 가타기리 켄토 씨와 오자키 노리마사 준교수 등의 연구그룹은 오사카대학 레이저 과학연구소의 대형 레이저 장치 격광 XII호를 이용하여 상온 상압 하에서 투명한 다이아몬드를 고속 대변형시켜 압축의 증가에 따라 광학적으로 불투명해져 가는 모습 등을 실시간으로 직접 관찰했다.

다이아몬드는 그 경도로 대표되는 뛰어난 특성을 가진 독특한 물질이다. 천연 다이아몬드는 지구 심부나 천체 충돌시 초고온·초고압력의 극한 환경하에서 생성되는 것으로 알려져 있다. 이 매우 단단한 다이아몬드를 압축하고 물성을 조사하기 위해서는 고강도 펄스 레이저를 이용한 동적압축이 유일한 방법이다. 연구팀은 자국내 최대 펄스 출력의 격광 XII호 레이저를 이용한 실험에서 550만 기압까지의 극한 환경에서의 다이아몬드의 광학 특성을 측정하는 데 처음으로 성공했다.

이번에 얻은 데이터로부터 다이아몬드는 170만 기압을 넘는 동적 고압력이 부가되어 부피가 20% 정도 작아지면 가시광에 대해 급격히 불투명해지는 것을 알 수 있었다. 또한 압력이 높을수록 굴절률이 상승하는 것도 분명해졌다. 이것은 고속의 천체 충돌이나 레이저 융합 등과 관련된 동적 과정에서 다이아몬드의 빛의 흡수와 반사가 크게 변화하는 것을 의미한다.

다이아몬드는 매우 높은 경도뿐만 아니라 높은 투과율과 굴절률 등 독특한 광학 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 물질재료과학, 지구행성과학, 레이저핵융합공학 등 분야 횡단적 과학의 최첨단에서 다이아몬드가 널리 이용되고 있지만, 필수적인 동적 초고압 하의 광학 특성은 충분히 이해되지 못했다.

연구그룹은 고강도 펄스 레이저를 이용한 동적 초고압 실험으로 결정상태의 다이아몬드를 수 나노초라는 매우 짧은 시간에 압축하여 빛의 도플러 효과를 이용한 독자적인 관측시스템으로 압축상태를 결정하면서 투과율 및 굴절률의 측정을 실시간으로 하는 것에 성공했다. 그 결과 다이아몬드는 약 90만 기압의 압력역까지는 초기 투과율에서 변화가 없었지만 90만 기압에서 170만 기압의 압력역에서는 유의한 변화가 나타나기 시작했고 170만 기압을 넘는 압력역에서는 거의 완전히 불투명해졌다. 또한 투명한 170만 기압까지의 압력영역에서는 지금까지의 정적 압축하의 결과에 반하여 압력의 상승에 수반하여 다이아몬드의 굴절률이 상승하는 것을 알 수 있었다.

극한의 정적 초고압을 생성하기 위한 툴의 하나로서 다이아몬드 앤빌셀(Diamond anvil cell, DAC)이 잘 알려져 있다. 최근 이 다이아몬드 앤빌셀과 고강도 펄스 레이저 구동의 동적 초고압을 조합한 실험이 각국에서 진행되고 있다. 이번 연구 성과는 다이아몬드 앤빌 내부에서 일어나는 동적 초고압 현상을 직접 관찰하는 데 있어서 필수적인 기초적 물성을 제공한다. 또한 세라믹 재료 혹은 고경도 재료의 펄스 레이저에 의한 프로세스나 가공을 정확하게 이해하고 시뮬레이션하기 위한 귀중한 지견이라고도 할 수 있다.

용어 설명

◆고강도 펄스 레이저
수십에서 수백 J(줄)급의 에너지를 10^-9초와 같이 매우 짧은 시간 내에 집중시킨 레이저광이다. 이번 연구에서 이용한 오사카대학 레이저 과학연구소의 격광 XII호는 세계 유수의 고강도 펄스 레이저 장치이다.

◆동적 초고압 실험
물질이 고속으로 변형되면 물질 내부에 충격파(쇼크 웨이브)가 구동되어 초고압이 발생한다. 이 동적 초고압을 이용하여 물질을 조사하는 연구방법이다.

◆굴절률
진공 중의 광속을 물질 중의 광속으로 나눈 값이며, 물질 중에서의 빛의 진행방법을 아는 데 있어서 필수적인 물성치이다. 물질과 파장에 따라 그 값이 다르지만, 다이아몬드는 가시광에 대해 높은 굴절률을 갖는 것으로 알려져 있다.

◆합성 나노 다결정
대형 정적 초고압 장치를 사용하여 고온 고압 하에서 인공적으로 합성된 10^-9미터(나노미터) 크기의 작은 결정이 모여 구성된 고체이다. 투과율이 높은 고밀도의 다이아몬드 나노다결정체는 일본에서 처음으로 합성되었다.

◆극한 과학
초고압, 초고온, 초저온, 초강자장 등의 극한적 환경에서 물질이나 현상을 조사하는 횡단적 과학분야로, 이러한 극한 환경을 생성하기 위한 기술 개발 연구도 포함된다.

◆레이저 핵융합
고강도 펄스 레이저의 조사에 의해 핵융합 반응을 일으키는 수법이다. 구형으로 성형된 연료 타겟(연료구)에 매우 강한 레이저광을 가하면 연료구 자체가 안쪽을 향해 폭발적으로 파괴된다(폭축). 최종적으로 도달한 연료물질의 밀도와 온도가 핵융합 조건을 초과하면 원자핵이 융합되는 핵융합 반응이 일어난다.

◆나노초
1나노초는 10억분의 1초(10^-9초)에 해당한다. 일반적인 고강도 펄스 레이저의 펄스 폭은 수 나노초이므로 레이저 조사에 의해 생성되는 초고압은 수 나노초의 짧은 시간 동안 유지된다.

◆빛의 도플러 효과
빛의 발생원과 관측자 사이의 상대적인 속도에 의해 빛의 주파수가 다르게 관측되는 현상을 말한다.

◆다이아몬드 앤빌셀
작은 면적에 봉입된 시료를 연마된 마주 보는 다이아몬드로 압축하는 정적 초고압 발생 도구이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 謎だったダイヤモンドの物性を明らかに
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200520_1