물질에서 전자역학을 연구하기 위한 아토초 펄스광을 생성하는 실험적 기법이 노벨 물리학상 수상

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분자에 빛이 조사되어 분자 내의 화학결합이 절단되거나 새롭게 화학결합이 형성될 때 또는 고체에 빛을 조사되어 상전이 등의 현상이 유도될 때 그 현상의 메커니즘을 이해하기 위해서는 광조사에 순간적으로 반응하는 물질 내에서 전자의 움직임을 때때로 시시각각 포착해야 한다. 그러나 초단펄스 레이저광에 의해 얻어지는 가장 짧은 광펄스의 시간폭은 수펨토초(1펨토초는 10^-15초)이며 전자의 광응답시간은 1펨토초보다 짧기 때문에 전자의 운동을 관측하기 위해서는 아토초 영역(1아토초는 10^-18초)의 펄스폭을 가지는 빛을 이용하여 펌프 프로브 기법(Pump-probe schemes)에 의한 계측을 실시할 필요가 있다.

이 아토초 펄스를 어떻게 발생시키는가 하는 문제에 대한 대처는 강 레이저장 안에서의 원자의 이온화 과정의 연구에서 시작되었다. 1979년 Agostini 등은 초임계 이온화(above-threshold-ionization, ATI)를 나타내는 피크의 배열을 관측했다. 이 ATI의 관측은 그 메커니즘의 이론연구의 발전을 촉진하고 원자로부터 터널 이온화 과정에서 튀어나온 전자가 빛의 전장 중에서 가속되어 원자 이온에 재충돌하는 과정에서 수반된 것임이 분명해졌다. 1987년 이후가 되면 초단 펄스 레이저를 희가스 중에 집광하면 고차 고조파라고 불리는 레이저 주파수의 홀수배의 주파수를 갖는 광, 즉 홀수배의 광자에너지를 갖는 광자가 발생하는 것이 보고되었다. L'Huillier 등은 1988년에 이 고차 고조파의 발생의 특징을 관측에 의해 밝힌 이래 그 메커니즘에 대한 이해에 기여해 왔다. 그리고 이 고차 고조파는 ATI 과정과 유사한 특징을 가지는 것을 알 수 있었고 1993년에는 Kulander의 그룹과 Corkum에 의해 각각 독립적으로 터널 이온화, 레이저 전계에 의한 가속과 재충돌 그리고 재충돌에 따른 고차 고조파의 발생이라는 3단계에 의해 고차 고조파가 발생하는 것이 설명되었다.

재충돌(재산란이라고도 함)에 의한 고차 고조파의 발생. 강한 레이저 전계에 노출된 원자로부터 전자가 터널 이온화에 의해 방출된다(제1 단계). 그 전자가 가속되지만 레이저 전계가 다음의 반 사이클이 되면 전계의 방향이 반대가 되기 때문에 이번에는 원자 이온을 향해 가속되어 원자 이온에 충돌할 때 원자 이온과 재결합한다(제2 단계). 그리고 재결합에 수반하여 전자가 가지는 운동에너지가 고차 고조파(파장으로서는 극단 자외광의 영역)로 변환되어 방출된다(제3 단계). / © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

이후 고차 고조파가 아토초 펄스로 구성된다는 것이 이론적으로 분명해졌고 마침내 2001년 Agostini 그룹은 고강도 펨토초 펄스를 Ar 가스에 집광함으로써 고차 고조파를 발생시켜 하나하나의 아토초 펄스의 시간폭이 250as의 펄스열이 생성되는 것을 확인했다. 그리고 같은 2001년 Krausz 그룹은 몇 사이클의 고강도 펨토초 펄스를 사용하여 Kr 가스에 집광하여 단일 아토초 펄스를 생성하고 펄스폭은 650 아토초인 것을 확인했다. 여기서 ATI에서 시작된 일련의 일의 흐름인 '아토초 펄스를 발생시키고 그것이 아토초 펄스임을 입증한다'는 하나의 목표에 도달했다. 그 결과 원자로부터 전자가 방출할 때 어느 궤도로부터 전자가 방출되는지에 따라 아토초 영역의 약간의 시간차가 존재하는 것이 밝혀지는 등 순간에 일어난다고 생각되고 있던 현상을 아토초의 시간 정밀도로 시시각각 관측할 수 있게 되었다. 즉, 이 아토초 펄스를 카메라의 플래시처럼 사용하면 물질 중에서 전자의 분포나 전하분포가 변화해 가는 모습을 찍을 수 있게 되는 것이다. Agostini, Krausz, L'Huillier 3인은 실험과 계측에서 아토초 과학의 여명기에 큰 공헌을 했다.

향후 아토초 과학은 화학반응의 초기 과정의 규명이나 초고속 전자 디바이스의 개발 등 새로운 프론티어가 잇달아 개척되어 가는 것을 도울 것이다.

▣ 용어 설명
펌프 프로브 기법(Pump-probe schemes)：피코초~아토초의 시간영역의 현상을 이해하기 위한 기술의 하나. 2개의 펄스광을 사용하여 그 중의 1개의 광(펌프광)을 물질에 조사함으로써 물질변화를 일으키고 또 하나의 광(프로브광)에 의해 그 변화를 관측하는 수법. 펌프광에 대한 프로브광의 타이밍을 조금씩 연장함으로써 그 변화의 정도를 추적한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
-「アト秒パルス光を発生する実験的手法」にノーベル物理学賞 https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/z0106_00979.html