초고속 세계를 포착하는 아토초의 빛

아토초는 매우 짧은 시간 단위로 0.000000000000000001(1×10^-18)초입니다. 물체의 움직임을 포착하려면 스트로브를 사용하여 연속 사진을 찍는 방법이 있지만, 전자처럼 빠르게 움직이는 물체를 포착하려면 아토초 수준의 짧은 간격의 빛이 필요합니다.

아토초 레벨에서 짧게 빛나고 계측에 사용할 수 있을 만큼 강한 펄스광은 어떻게 만들까. 빛에는 파동의 성질이 있고, 파동의 산과 산이 겹쳐서 강해지거나 산과 계곡이 겹쳐서 강도를 상쇄하는 등 간섭합니다. 그리고 전자 등의 입자에도 그 성질은 계승됩니다. 즉, 간섭을 어떻게 사용하는지가 핵심입니다.

반응을 일으키기 어려운 불활성 가스에 강한 레이저광(기본파)을 가하면 기본파의 파장의 홀수분의 1의 파장의 빛(고차 고조파)이 발생합니다. 이 빛들은 정밀하게 간섭하고 있기 때문에 더욱 파장이 짧은 아토초의 펄스광(APT: 아토초 펄스)이 된다. 이 시점에서는 기본파가 혼합되어 있지만 실리콘 반사경에 닿으면 실리콘 반사경에 흡수되어 APT만을 꺼낼 수 있습니다.

그러나, 아토초라는 짧은 빛의 시간폭을 계측할 수 있는 기기는 없기 때문에 생성한 APT의 시간폭은 APT 자신으로 계측할 수밖에 없습니다. 이것을 '자기 상관 계측'이라고 합니다. 실리콘 반사경은 상하로 나뉘어져 입사한 APT의 절반을 위쪽 거울로, 나머지 절반을 아래쪽 거울로 반사합니다. 그리고 아래의 거울만을 수나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 단위로 뒤로 움직이면 반사에 약간의 시간차가 생겨 상하의 반사광의 파형이 겹쳤을 때 광강도가 높아지고 떨어지면 광강도가 낮아집니다. 그 빛을 이온검출기에서 아세틸렌 분자(C2H2)에 쏘아 이온화합니다.

광강도가 높아지면 이온의 생성량이 많아지고 낮아지면 적어집니다. 거울을 조금씩 어긋나게 하면서 이온 생성량의 증감을 조사하여 APT의 시간폭을 계측할 수 있습니다. 최근 이 장치를 사용하여 자기 상관 측정으로 세계 최단의 300 아토초를 기록했습니다.

실리콘 반사경은 기본파를 흡수하면 발열하여 위치가 어긋나 버립니다. 그래서 실리콘 반사경의 온도를 일정하게 유지하는 장치를 도입하여 영향을 최소한으로 억제했습니다.

추가 발전을 위해 강한 단일 아토초 펄스를 생성하거나 고차 고조파로 검출 이온 종을 자유롭게 제어하는 ​​등의 새로운 시도가 주목받고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超高速の世界を捉えるアト秒の光
https://www.riken.jp/pr/closeup/2021/20211110_1/#:~:text=%E3%82%A2%E3%83%88%E7%A7%92%E3%81%AF%E3%81%A8%E3%81%A6%E3%82%82%E7%9F%AD%E3%81%84,10%2D18%EF%BC%89%E7%A7%92%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82