세계에서 가장 강력한 레이저를 만들었다

IBS 남창희 단장팀, 미국·EU·중국보다 앞선 기록
극한 영역에서의 새로운 물리현상 탐구에 도움

IBS 연구진이 레이저의 일부인 증폭기를 모니터링하고 있다. IBS 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 세계에서 가장 강력한 레이저를 만들어냈다. 이는 미국과 유럽, 중국보다도 높은 세기를 기록한 것이다. 연구진은 이를 통해 극한 영역에서의 새로운 물리현상을 탐구하는데 도움이 될것이라고 설명했다.

기초과학연구원(IBS)는 초강력 레이저과학 연구단 남창희 단장팀이 초강력 레이저를 1.1×10의 23승 W/㎠ 세기로 모으는 데 성공했다고 6일 밝혔다. 남창희 단장은 "이번 연구를 통해 IBS의 초고출력 레이저 시설이 세계 최고임을 입증했다"고 말했다.

연구진은 10의 23승 W/㎠ 이상의 레이저 세기에서는 극도로 강한 전기장이 형성돼, 양자전기동역학(QED) 이론이 예측하는 물리 현상을 직접 실험해 볼 수 있을 것으로 전망했다.

지구상에 존재한 적 없던 강력한 레이저는 초신성 폭발 등 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있다.

초강력 레이저와 만난 물질은 순식간에 분해돼 전자, 양성자 등으로 이뤄진 플라즈마 상태가 된다. 플라즈마는 물질의 원자핵(+극)과 전자(-극)가 분리돼 이온화된 상태로, 우주의 99% 이상을 구성하고 있다. 이는 초강력 레이저로 우주와 유사한 환경을 만들어 극한의 물리현상을 연구할 수 있다는 의미다.

이전 단계에서 증폭된 4 PW 레이저 빔은 금으로 코팅된 노란색 대구경 포물면 거울에 반사되어 좁은 공간에 모이게 되고, 이를 다시 대물렌즈가 달려있는 카메라(사진에서 붉은 색)를 통해 감지한다. IBS 제공

또한 엑사(10의 18승) 와트 레이저는 진공까지도 분해할 수 있다. 진공은 가상전자와 양전자로 분해되는데, 양자장론이 이론적으로 제시하는 가상입자-반입자 쌍이 실제로 존재하는지 실험할 수 있게 된다.

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.

IBS 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 10의 22승 W/㎠ 세기에 처음 도달한 이후 지금까지 10의 23승 W/㎠에 다다른 연구진은 없었다. 현재 유럽연합의 ELI 빔라인, 미국의 EP-OPAL, 중국의 SEL 등이 10의 23승 W/㎠ 레이저를 목표로 건설 중이다.

IBS 초강력 레이저과학 연구단이 보유한 4 PW 레이저 시설. IBS 제공

강력한 레이저 세기의 구현을 위해서는 에너지를 가능한 한 짧은 시간과 좁은 공간에 압축해 순간적으로 최대의 에너지를 내야 한다. 초강력 레이저가 펨토 초(1000조 분의 1초) 동안 지속되는 이유다. 그러나 빔의 증폭·전송 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 1마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)의 초소형 공간에 모을 수 있었다. 이는 이전에 같은 레이저를 지름 1.5㎛ 공간에 모은 데 비해 면적 대비 2배 이상 향상된 수치다.

이번 연구 결과는 광학 분야의 저명한 학술지 '옵티카(Optica)'에 6일(한국시간) 온라인 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자