소형 입자 가속기 제작을 가능하게 하는 새로운 기술 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

지난해 빛을 포획하고 그것의 경로 안에 중지시킬 수 있는 물질을 제작한 MIT 대학 연구진은 이제 이런 과정을 더 기본적으로 이해할 수 있는 방법을 개발하였다. 이들의 연구는 일부 기본적인 물리학 메커니즘을 설명하는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 그런 거동이 겉으로는 관련이 없어 보이는 일련의 다른 현상과 연관돼 있다는 것을 밝혀내었다. 빛은 보통 거울로만 제한될 수 있다. 또는 광결정과 같은 특별한 물질로 제한된다. 이런 두 가지 방법은 모두 빛을 흐름을 제한한다. 지난해의 발견은 파장이 그들 자신의 성분을 상쇄시키는 새로운 방법을 시연한 것이다. 이 새로운 방법은 빛의 편광 방향을 뒤틀리게 하는 것을 포함하는 광포획 과정으로서 일종의 와동(vortex)에 기반하고 있다. 와동은 자연에서 발생하는 토네이도를 비롯한 다양한 현상에서 발견된다. 광포획에 대한 메커니즘을 밝혀낼 뿐만 아니라, 이 새로운 분석은 이런 포획 상태가 이전에 생각하였던 것보다 훨씬 더 안정적이며 만들기 더 쉬우며 교란시키기 더 어렵다는 것을 보여주고 있다. 사람들은 이런 포획된 상태를 매우 미묘하다고 생각하며 심지어 실현시키기 불가능하다고 믿고 있지만 실제로는 매우 안정적인 방식으로 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌다고 이들 연구진은 말하였다. 대부분의 자연적인 빛에서, 편광의 방향은 고정되어 있다. 빛 파동은 편광의 방향으로 진동한다고 생각되고 있다. 이런 원리로 편광 선글라스가 작동한다. 표면으로부터 반사된 빛은 한 방향으로 선택적으로 편광된다. 반사된 빛은 이 방향에 직각된 방향으로 놓인 편광 필터에 의해서 차단된다. 포톤을 정지시키는 것은 소형 가속기를 제작하고 향상된 데이터 전송을 가능하게 해 줄 수 있을 것이다. 왼쪽 패널은 광결정 슬랩의 연속체 안의 5개 구속 상태를 밝은 점으로 보여준다. 그러나 광포획 결정의 경우, 물질로 들어오는 빛은 와동을 형성하는 방식으로 편광된다. 편광의 방향 변화는 빛의 방향에 의존한다. 편광은 와동의 모든 점에서 다르기 때문에, 그것은 위상 기하학적 결함이라고 불리는 특이점을 중심에 만들어낸다. 그 점에서 빛은 포획된다. 연구진은 이 현상은 작은 스케일의 입자 가속기를 잠재적으로 만들어 낼 수 있는 특별한 종류의 레이저빔인 벡터 빔이라고 불리는 것을 만들어낼 수 있게 해준다고 말하였다. 그와 같은 디바이스는 이런 벡터빔을 이용하여 입자를 가속시키고 서로 충돌시켜 내부 구조를 조사할 수 있게 해준다. 이것은 차세대 탁상용 가속기로 개발되어 고에너지 물리학 실험을 가능하게 해 줄 것이다. 이들의 발견은 또한 여기된 방출 고갈 현미경이라고 불리는 방법을 이용하여 높은 분해능 영상을 쉽게 구현할 수 있게 해 줄 것이다. 또한 단일 광 섬유를 통하여 훨씬 더 많은 채널의 데이터를 송신할 수 있게 해 줄 것이다. 이 연구는 잘 연구된 물리학적 시스템이 어떻게 알려지지 않은 현상을 밝혀낼 수 있는지를 보여주고 있다고 이 연구에 참여하지 않은 싱가포르 난양 기술 대학의 물리학과 교수인 Yidong Chong은 말하였다. 그는 이와 같은 놀라운 발견이 비교적 잘 연구된 물질에서 이루어졌다는 점에서 매우 놀랐다고 말하였다. 이 물질은 1990년대 이후 이론적으로 그리고 실험적으로 모두 광범위하게 연구되고 분석된 일종의 광결정 물질이다. 이렇게 잘 연구되고 정의된 물질로부터 연구되었기 때문에 마이크로레이저와 같은 실질적인 기술에 이용될 수 있을 것이라고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 첨부그림 1: 광결정 슬랩에 대한 파동 벡터 함수로써 그려진 품질 인자. 5개의 위치에서, 이런 인자는 연속체의 구속 상태라고 불리는 맥스웰 방정식의 특별한 솔루션에 해당하는 무한대로 발산한다. 이런 상태들은 무한대에서 탈출할 수 있는 충분한 에너지를 갖지만 공간적으로 국재화되어 남아 있게 된다. 첨부그림 2: 오른쪽 패널은 왼쪽 패널과 동일한 영역에서 편광 벡터 필드를 보여준다. 이것은 연속체의 구속 상태의 위치에서 5개의 와동을 나타낸다. 이런 와동들은 위상 기하학적 전하 +1 또는 -1로 분석된다. haltingphoto.jpg 1-haltingphoto.jpg http://phys.org/print338454254.html