2022-2023, ‘양자 개념’이 노벨상 연속으로 차지했다?

[서해원당]

2022-2023, ‘양자 개념’이 노벨상 연속으로 차지했다?

                                                                                                               <KISTI의 과학향기> 제3015호   2023년 12월 04일

2022년 노벨 물리학상은 양자역학의 근본 원리를 실험으로 증명한 과학자들에게 돌아갔다. 2023년에도 양자 개념과 관련된 연구가 노벨 물리학상, 화학상을 휩쓸었다. 전기와 빛과 같이 우리가 일상에서 사용하는 에너지를 하나의 물질 단위로 표현할 때 가장 작은 단위를 양자라 한다. 양자의 세계에서는 우주의 끝과 끝이 서로 연결되고, 살아 있는 고양이와 죽어 있는 고양이가 중첩된 상태로 동시에 존재하는 독특한 현상이 일어난다. DNA 역학 조사, 양자컴퓨터 개발 등 앞으로 인류의 미래를 결정할 기술 혁명은 이 보이지 않는 양자 세계에서 일어날 가능성이 매우 높다. 양자 시대를 크게 앞당긴 것으로 평가받는 노벨상 수상자들의 성과, 아토초와 양자점 개념에 대해 알아보자.

                                그림 1. 양자역학은 미래 기술을 도모할 과학 분야 중 하나로 대두되고 있다. 출처: Shutterstock

아토초: 전자가 움직이는데 필요한 아주 짧은 시간

올해 노벨 물리학상의 영광은 피에르 아고스티니 미국 오하이오주립대 교수, 앤 륄리에 스웨덴 룬드대 교수, 페렌츠 클라우스 독일 막스플랑크 양자광학연구소 교수 세 사람에게 돌아갔다. 노벨위원회는 “세 사람에게 ‘물질의 전자역학 연구를 위한 아토초 펄스광을 생성하는 실험 방법’과 관련한 공로로 노벨 물리학상을 수여한다”고 설명했다. 이어 “수상자들은 인류에게 원자와 분자 안에 있는 ‘전자의 세계’를 탐사할 새로운 도구를 건네줬다”고 밝혔다.

여기서 아토초(as)란, 100경분의 1초라는 매우 짧은 시간을 말한다. 물질의 화학적 반응은 전자의 움직임 때문에 발생하는데, 화학적 반응에서 전자의 운동은 주로 펨토초(10억분의 1초)나 아토초 영역에서 일어난다. 심하면 영점몇 아토초만에도 변할 수 있기 때문에, 일반적인 빛으로는 전자의 세계를 관찰할 수 없다. 따라서 아토초는 원자 수준의 세계에서 벌어지는 인과 현상을 포착하기 위해 꼭 필요한 시간 간격이다.

아고스티니는 1979년, 프랑스 원자력 및 대체에너지 위원회(CEA) 연구소에서 금속판의 전자가 레이저의 에너지를 받아 원자에서 튀어나오는 현상인 광전효과를 연구하는 도중, 이상한 변화를 발견했다. 강력한 빛을 이용하니 전자가 이온화하려면 필요한 최저 주파수의 문턱값을 넘어 이온화되는 것이었다. 이 현상이 바로 초역이온화(ATI, Above-Threshold Ionization)다. 여기서 여분의 에너지는 초역이온화로 인해 전자의 운동 에너지로 변환돼, 전자가 빠르게 움직이도록 만든다.

                              그림 2. 아토초와 심장 박동, 우주의 나이를 비교한 그림. 심장 박동의 간격은 1초,

                                  우주의 나이는 100경 초, 아토초는 100경분의 1초로 추산된다.

                                  출처: 스웨덴 왕립과학원

아고스티니와 같은 CEA 연구실에 있던 륄리에는 1987년 이온화된 비활성 기체에 적외선 레이저를 비추어 방출된 빛을 측정하는 연구를 진행했다. 레이저에 노출돼 에너지를 흡수한 전자는 불안정한 상태가 되므로, 에너지를 빛의 형태로 방출해 안정한 상태로 돌아간다. 륄리에는 이때 레이저 파장이 배로 커질수록 해당 파장의 빛이 나오기 어렵기 때문에, 빛의 강도는 점점 감소할 것으로 예상했다.

그녀의 실험에서 레이저 파장의 배수가 4배 이하일 때, 빛의 강도는 예상대로 감소했다. 그런데 5배에서 33배까지는 강도가 거의 감소하지 않는 플랫 상태를 유지하다가, 34배 이상이 됐을 때는 거의 사라져 버리는 현상이 나타났다. 레이저광과 기체 내 원자 간의 상호작용에서 에너지가 흡수한 전자가 빛을 방출하면서 생기는 현상을 발견한 것이다.

두 사람의 연구는 ‘아토초 펄스광’ 연구의 발판이 됐다. 여기서 아토초 펄스광이 무엇인지 알아보자. 원자와 결합한 전자는 에너지적으로 가장 안정한 상태다. 전자를 움직이게 하려면 물질의 두 지점 간의 에너지 차이인 에너지 언덕을 만들어야 한다. 고전 역학의 경우, 전자에 에너지 언덕의 오르막길을 오를 만큼의 에너지가 필요하다.

그런데 양자역학에서는 해법이 달라진다. 전자에 레이저를 쐬면 에너지 비탈길의 형상이 변해, 한쪽이 오르막에서 내리막길이 된다. 양자역학에서는 입자가 고정된 장벽을 통과하는 현상인 ‘터널 효과’로 인해 비탈길에 구멍이 뚫린 것처럼 내리막 쪽으로 전자가 이동한다. 파장이 진행하면서 에너지 언덕이 내리막길에서 오르막길로 변하면, 전자는 오르막길을 오를 만한 에너지가 없어 급격히 원래 위치로 돌아온다. 이때 전자는 높은 곳에서 낮은 곳으로 원자를 향해 떨어지기 때문에, 운동 에너지를 가진 채 원자와 재충돌한다. 이때 방출되는 빛은 원래 이온화에 필요한 에너지보다 더 큰 에너지와 더 짧은 파장을 지닌다. 이 파장이 바로 ‘아토초 펄스광’이다.

                                                그림 3. 재충돌에 의한 아토초 펄스광의 발생. 출처: 스웨덴 왕립과학원

클라우스는 1997년 최초로 이 아토초 펄스광(650 아토초)을 생성하고 측정하는 데 성공했다. 2010년에는 광전효과를 계측해 21 아토초 안에 전자가 원자 주위의 궤도를 벗어난다는 사실을 알아냈고, 2017년에는 불과 43 아토초의 펄스광을 만들어냈다. 아고스티니도 2001년, 250 아토초의 파장을 지닌 펄스광을 만들어내고 조사하는 데 성공해 륄리에, 클라우스와 함께 새로운 물리학 분야인 ‘아토초 물리학’의 문을 열었다.

양자점: 스테인드 글라스가 아름다운 색을 띄는 이유

올해 노벨 화학상은 나노미터 수준의 아주 작은 반도체 입자인 ‘양자점’ 연구를 수행한 알렉세이 에키모프 나노크리스털스테크놀로지 소속 박사, 루이스 브루스 컬럼비아대 명예교수, 그리고 모운지 버웬디 미국 MIT 교수에게 돌아갔다. 양자점이란 크기가 수 나노미터(nm)밖에 안 되는 초미세 반도체 입자를 말한다. 노벨위원회는 “양자점이라고 불리는 이 입자는 현재 나노 기술에서 매우 중요한 역할을 하고 있다”며 “수상자들은 양자 현상에 의해 특성이 결정될 정도로 작은 입자를 만드는 데 성공했다”고 설명했다.

인류는 개념을 몰랐을 뿐, 수천 년 전부터 양자점의 성질을 활용해 왔다. 유리에 금속 같은 불순물을 섞어 색유리를 만들던 장인들은 유리를 녹이거나 냉각하는 온도에 따라 빨간색, 주황색, 노란색으로 달라진다는 사실을 알고 있었다. 그러나 그 이유는 오랫동안 장인도 과학자도 잘 몰랐다. 눈에 보이지 않을 정도로 작은 알갱이들이 흩어진 ‘콜로이드’가 유리의 색깔을 결정하는 이유 중 하나라는 것이 밝혀졌지만, ‘양자역학’이 나타나기 전까지는 완벽히 이해할 수 없었다.

                                   그림 4. 양자점은 수천 개의 원자로 구성돼 있다. 비유하자면, 양자점과 축구공의

                                          크기 비율은 축구공과 지구의 크기 비율과 같다. 출처: 스웨덴 왕립과학원

유리 색의 변화를 양자역학적으로 설명한 선구자가 바로 에키모프다. 에키모프는 유리 속 염화구리 결정의 평균 크기를 X선으로 조사하고 빛의 파장 변화와의 관계성을 연구했다. 그 결과, 그는 유리 속 염화구리 결정의 평균 크기가 유리를 가열한 온도에 따라 2nm에서 30nm로 변하는 것을 발견했다. 염화구리 결정의 크기가 작아질수록 흡수되는 빛의 파장이 파란색으로, 즉 파장이 짧은 쪽으로 옮겨간 것이다. 더 나아가 에키모프는 매우 작은 크기의 입자에서는 전자의 행동이 제한된다는 양자역학의 아이디어를 차용해, 유리 색에 해당하는 빛의 파장을 계산해 냈다.
 
비슷한 시기, 미국 벨연구소에 있던 브루스는 태양광 등 빛에너지를 사용해 화학반응을 일으키는 분야인 광전기화학 연구를 수행 중이었다. 그는 1983년에 황화카드뮴 나노입자를 만들어 태양광 발전판 위에 도포하던 실험을 하던 중, 용액을 하루 방치하면 빛의 성질이나 반응이 바뀐다는 사실을 발견했다. 브루스는 전자 현미경으로 황화카드뮴 나노입자를 관찰했는데, 갓 만들어졌을 때는 평균 직경이 4.5nm였던 입자가 하루가 지난 후에는 12.5nm까지 성장한 것을 확인했다. 입자 크기와 상관없이 결정구조 자체는 변함이 없었기에 브루스는 흡수되는 빛의 파장 변화, 즉 나노입자의 색 변화는 입자 크기에 따라 받는 양자역학의 효과 차이에 의한 것이라고 발표했다.

두 과학자의 연구는 미국과 소련의 냉전 시대 상황을 보여주는 사례로도 꼽힌다. 에키모프는 자신의 연구 결과를 1981년 구소련 과학지에 발표했다. 하지만 미국과 소련이 날카롭게 대립한 탓에, 연구 결과는 ‘철의 장막’에 봉인되고 서방의 연구자들은 그의 활약을 전혀 알지 못했다. 이 당시의 브루스도 자신보다 앞서 연구한 에키모프를 일절 언급하지 않았다.

그림 5. 나노 입자의 크기에 따라 흡수되는 빛의 파장이 변하면 우리 눈에 보이는 색이 달라진다. 출처: 스웨덴 왕립과학원

버웬디는 양자점 연구의 막을 본격적으로 연 인물이다. 초창기 양자점의 제조 방법은 불완전한 데다, 완성돼도 크기나 형상이 고르지 않아 결정구조나 전자배치에 결함이 있는 등 어려움이 많았다. 종류에 따라 극저온의 환경을 유지해야 하는 경우도 있어, 비용면에서도 부담스러웠기에 양자점을 산업적으로 활용할 수 있으리라 기대하기 힘들었다. 브루스의 연구실에 있던 버웬디는 1993년 양자점끼리 달라붙는 것을 막는 가열된 용매에 유기 금속을 급속히 흘려 넣는 ‘핫 인젝션(Hot injection) 공법’을 개발해 이 문제를 해결했다. 매우 짧은 시간 안에 용매에 주입한 유기 금속은 작은 결정을 형성하는데, 이 결정은 용매가 식으면 성장을 멈춘다. 그 후 재차 용매를 가열하면 이미 형성된 핵이 결정으로 성장해 크기가 가지런한 양자점을 얻을 수 있다. 버웬디의 방식은 매우 간단해 양자점에 관한 기초 연구뿐만 아니라 실용화에도 이바지했다.

양자점과 아토초 펄스, 앞으로의 활약은?

양자점은 현재 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 기술 공학자들은 양자점의 크기에 따라 빛의 색을 제어하는 성질을 이용해, 정보통신 및 에너지 획득이 가능한 ‘양자점 디스플레이(QLED)’를 구현했다. 의료 분야에서는 일부 양자점이 생체 내 특정 단백질이나 핵산(DNA나 RNA)에 결합하기 쉬운 화학적 성질을 가진다는 점에 착안해, 발광으로 종양을 쉽게 분별하는 기법이 개발됐다.
 
아토초 펄스는 양자 기술과 반도체, 의학 분야에서 강력한 도구가 될 것으로 전망된다. 아토초 펄스를 사용하면 전자의 운동을 추적하고 제어하는 것이 가능해, 대량 생산이 불가능했던 반도체 재료나 신약후보 물질의 합성 방법도 알아낼 수 있다. 난치병으로 꼽히는 유전병의 원인과 치료법을 찾는 데도 아토초 펄스를 활용할 수 있다. 유전병은 비정상적인 상태가 된 전자가 유전자를 손상시키기 때문에 발생한다. 아토초 펄스를 사용하면 X선에 의해 DNA가 손상되는 짧은 순간까지 볼 수 있어, 유전자 손상이 발생하는 과정도 명확히 규명할 수 있다. 양자점과 아토초 펄스가 어떤 미래를 가져올지 기대된다.

                                                                                                                          글: 이형석 과학칼럼니스트/일러스트: 유진성 작가