IBS, 세계 최고 세기 레이저 기록 세웠다...극한 영역 새로운 물리현상 탐구 기대

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페타와트(PW) 레이저 실험 모습
<페타와트(PW) 레이저 실험 모습>

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)이 레이저 세기의 신기록을 세웠다. 이로써 레이저 기술은 극한 물리현상 탐구의 이정표라 할 수 있는 제곱센티미터 당 10²³와트(10²³W/cm²)대로 진입했다.

IBS 초강력 레이저과학 연구단(단장 남창희)은 초강력 레이저를 1.1×1023 W/cm² 세기로 모으는 데 성공했다. 10²³W/cm² 이상 레이저 세기에서는 극도로 강한 전기장이 형성돼, 양자전기동역학(하전입자와 전자기장으로 이루어진 역학계를 연구대상으로 하는 양자역학) 이론이 예측하는 물리 현상을 직접 실험해 볼 수 있을 것으로 기대된다.

연구단은 2016년 4페타와트(PW, 1000조 와트) 레이저 개발에 성공해, 세계에서 가장 높은 출력의 레이저를 보유하고 있다. 4PW는 전 세계 발전 용량의 1000배에 해당하는 출력이다. 레이저의 '세기'는 출력을 얼마나 작은 공간에 집중시키는지를 의미하며, 각종 물리 현상 탐구의 중요한 지표가 된다. 2004년 미국 미시간 대학이 10²²W/cm² 세기에 처음 도달한 이후 지금까지 10²³W/cm² 에 다다른 연구진은 없었다. 현재 유럽연합의 ELI 빔라인, 미국의 EP-OPAL, 중국의 SEL 등이 10²³W/cm² 레이저를 목표로 건설 중이다.

강력한 레이저 세기의 구현을 위해서는 에너지를 가능한 한 짧은 시간과 좁은 공간에 압축해 순간적으로 최대의 에너지를 내야 한다. 초강력 레이저가 펨토 초 동안 지속되는 이유다. 그러나 빔의 증폭전송 과정에서 공간적인 위상 왜곡이 발생해, 레이저 빔을 좁은 공간에 모으는 데는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울을 새롭게 제작했다. 대구경 변형거울은 레이저 빔의 파면 왜곡을 높은 분해능으로 보정하는 데에, 대구경 비축 포물면 거울은 레이저 빔의 효율적 집속에 각각 사용된다. 그 결과 4 페타와트 레이저 빔을 지름 1㎛ 초소형 공간에 모을 수 있었다. 이는 이전에 같은 레이저를 지름 1.5㎛ 공간에 모은 데 비해 면적 대비 2배 이상 향상된 수치다.

지구상에 존재한 적 없던 강력한 레이저는 초신성 폭발 등 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있다. 이때 레이저 세기에 따라 물질과의 상호작용이 완전히 달라진다. 양자전기동역학 이론은 강력한 전기장 하에서는 진공에서 전자와 양전자 쌍이 생성될 것으로 예측한다. 초강력 레이저를 이용해 이러한 현상을 실험적으로 입증할 수 있다.

교신저자인 남창희 단장은 “이번 연구를 통해 IBS의 초고출력 레이저 시설이 세계 최고임을 입증했다”며 “양자전기동역학에서 예측하는 비선형 콤프턴 산란(고에너지 전자빔이 초강력 레이저 펄스와 충돌할 때 고휘도 감마선이 방출되는 현상)과 브라이트-휠러 쌍생성(광자 사이 충돌로부터 전자와 양전자가 생성되는 현상), 또 복사압 이온 가속 공정(초강력 레이저 빔 복사압으로 이온이 가속되는 공정)과 같은 극한 영역에서의 새로운 물리 현상들을 탐구할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 광학 분야의 저명한 학술지 옵티카(Optica, IF 9.778)에 5월 6일(한국시간) 온라인 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com