[노벨상 2023] 100경분의 1초, 원자가 이온 되는 과정 포착···물질 근원 탐구

2023년 노벨 물리학상은 전자의 움직임을 아토 초 단위로 관찰할 수 있는 방법을 제시한 피에르 아고스티니 미국 오하이오주립대학 교수, 페렌스 크라우스 막스플랑크연구소 양자광학연구소장, 앤 륄리에 룬트대학 교수 등 3인에게 돌아갔다.

노벨위원회는 이들이 아토 초 파장의 빛을 발생시켜 물질 속 전자의 움직임을 연구할 수 있게 했다고 평가했다.

2023년 노벨 물리학상 수상자. (왼쪽부터) 아고스티니, 크라우스, 륄리에 교수 (이미지=노벨위원회)

아토 초는 100경 분의 1초이다. 소수점 아래에 0이 17개 있는 10의 마이너스 18제곱초의 극히 짧은 시간이다. 수소 원자의 전자가 원자핵을 한 바퀴 돌 때 160아토초가 걸린다. 아토초 단위로 물질을 관찰하면 원자가 이온화되는 극히 짧은 과정 등을 파악할 수 있다.

남창희 광주과학기술원 교수는 "이번 노벨 물리학상 수상자들의 연구는 아토 초 단위의 시간에서 한 장면을 포착할 수 있는 초고속 카메라 플래시를 만든 것"이라고 설명했다.

조동현 고려대 물리학과 교수는 "현미경이 우리에게 공간 분해능을 주었다면, 레이저는 시간 분해능을 주었다"라며 "전자의 움직임 같은 빠른 시간 안에 이뤄지는 이벤트가 어느 순간에 일어나는지, 그 순간을 찍는 초고속 카메라 같은 역할을 하는 것"이라고 말했다.

아토초 단위에서 벌어지는 일들과 다른 시간 단위의 비교 (자료=노벨위원회)

스마트폰 같은 전자기기는 100만분의 1초인 마이크로초나 10억분의 1초인 나노초 단위로 신호 처리나 계산이 이뤄진다. 10의 마이너스 15제곱인 1천조 분의 1을 뜻하는 펨토초 단위에서는 분자들의 회전이나 해리가 일어난다. 아토초 단위의 시간에서는 전자가 이온화되는 현상이 일어난다. 임현식 동국대 교수는 "파장이 길면 극히 빠르게 움직이는 물질의 움직임을 제대로 포착할 수 없다"라며 "전자의 이온화를 관측하는데 필요한 아토 초 수준의 파장을 구현한 공로로 올해 노벨상을 수상한 것"이라고 설명했다.

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이렇게 되면 광전자 효과의 시간 스케일 등을 관찰할 수 있어 물질에 대한 근원적 질문에 대한 답을 찾을 수 있고, 장기적으로 전자공학이나 의료 등에도 활용 가능하다. 식물이 짧은 찰나의 빛으로 광합성을 하는 과정이나 방사선에 노출된 DNA가 극히 짧은 순간에 손상을 입는 과정 등을 이해하는데도 기여할 수 있다.

륄리에 교수와 아고스티니 교수는 아토 초 단위 레이저 발생에 관한 초기 연구를 개척했고, 크라우스는 이를 기반으로 다양한 과학 분야에 적용하는데 기여했다고 남 교수는 설명했다.