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기초연구원 '세계 최고 세기 레이저 기록 세웠다'···극한 영역 탐구 가능

입력 2021.05.06. 23:01 댓글 0개
초강력 레이저과학 연구단 10의 23승W/㎠ 세기 첫 달성
대구경 변형거울, 대구경 비축 포물면 거울 제작해 성공
새로운 물리현상 탐구 기대…국제 학술지 '옵티카' 게재
[대전=뉴시스]페타와트(PW) 레이저 장치 개략도.(사진=IBS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 세계 최고 기록의 레이저 세기를 달성해 극한 물리현상 탐구의 이정표라 할 수 있는 제곱센티미터(㎠) 당 10의 23승 와트(10의 23승 W/㎠)대로 레이저 기술이 진입하게 됐다.

기초과학연구원(IBS)은 초강력 레이저과학 연구단 남창희 단장 연구팀이 초강력 레이저를 1.1×10의 23승W/㎠ 세기로 모으는데 성공했다고 6일 밝혔다.

10의 23승W/㎠ 이상의 레이저 세기에서는 극도로 강한 전기장이 형성돼 양자전기동역학 이론이 예측하는 여러 물리 현상을 직접 실험해 볼 수 있을 것으로 기대를 모으며 이번 연구 결과는 광학분야의 국제 학술지 '옵티카 (Optica, IF 9.778)'에 6일(한국시간) 온라인 게재됐다.(논문명:Realization of laser intensity over 10의 23승W/㎠)

이에 앞서 연구단은 지난 2016년 4PW(페타와트·10의 15승W) 레이저 개발에 성공해 세계에서 가장 높은 출력의 레이저를 보유했다.

4PW는 전 세계 발전용량의 1000배에 해당하는 출력이다. 레이저의 세기는 출력을 얼마나 작은 공간에 집중시키는지를 의미하며 각종 물리 현상 탐구의 중요한 지표가 된다.

지난 2004년 미국 미시간 대학이 10의 22승W/㎠ 세기에 처음 도달한 뒤 지금까지 10의 23승W/㎠에 다다른 연구진은 없었다.

강력한 레이저 세기를 구현키 위해서는 에너지를 가능한 짧은 시간과 좁은 공간에 압축해 순간적으로 최대의 에너지를 내야 하지만 빔의 증폭·전송 과정에서 공간적인 위상 왜곡이 발생해 레이저 빔을 좁은 공간에 모으는 데는 한계가 있다.

문제해결을 위해 IBS 연구진은 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울을 새롭게 제작했다.

[대전=뉴시스]집속된 레이저 빔 세기의 3차원 그래프. 빔 지름은 약 1㎛ 크기, 최대 세기는 1.4×10의 23승W/㎠, 평균 세기는 1.1×10의 23승W/㎠를 기록했다.(사진=IBS 제공) *재판매 및 DB 금지

대구경 변형거울은 레이저 빔의 파면 왜곡을 높은 분해능으로 보정에, 대구경 비축 포물면 거울은 레이저 빔의 효율적 집속에 각 사용된다.

이를 통해 연구진은 4PW 레이저 빔을 지름 1㎛의 초소형 공간에 모았다. 이는 이전에 같은 레이저를 지름 1.5㎛ 공간에 모은 데 비해 면적 대비 2배 이상 향상시킨 수치다.

레이저 세기에 따라 물질과의 상호작용이 완전히 달라지기 때문에 지구상에 존재한 적 없던 강력한 레이저는 초신성 폭발 등 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있다.

양자전기동역학 이론은 강력한 전기장의 진공에서 전자와 양전자 쌍이 생성될 것으로 예측한다. 초강력 레이저를 이용하면 이런 현상을 실험적으로 입증할 수 있다.

교신저자인 남창희 단장은 "이번 연구를 통해 우리의 초고출력 레이저 시설이 세계 최고임을 입증했다"'며 "양자전기동역학에서 예측하는 비선형 콤프턴 산란과 브라이트-휠러 쌍생성, 또 복사압 이온 가속 공정과 같은 극한 영역에서의 새로운 물리 현상들을 탐구할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

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