최첨단 「원자광학」 국내소개 활발

◎90년대 연구 본격화 신종물리학/10억분의 1m 원자속도 인위적 조작 이용/빛보다 정밀·미세한 측정 가능/지구 중력장 등 연구 새 가능성 제시

나노미터(10억분의 1m)수준의 원자를 자유자재로 조작함으로써 기초과학연구와 폭넓은 응용을 가능케 하는 새로운 첨단과학분야가 국내에서 활발히 소개되고 있다.

「원자광학」이라고 불리는 이 신종 물리학은 외국에서도 20년전 처음 제안돼 90년대 들어 연구가 본격화되고 있는 전혀 새로운 분야.국내에서는 지난 6월 아태이론물리센터 1주년기념 국제학회,8월 제17차 국제광학회의,10월 제3회 아시아국제원자분자물리학회,11월 한국원자력연구소 제4회 레이저분광학 심포지엄 등에서 해외동향과 함께 국내 연구성과가 잇따라 소개됐으며 최근에는 과학기술처가 의욕적으로 추진하고 있는 「미래원천기술개발사업」에서도 주요과제로 선정됐다.

지금까지 빛의 파동성과 입자성을 이용한 광학은 기초연구뿐 아니라 일상생활에 이르기까지 다양한 응용분야를 보여왔다.계산대의 바코드인식·광디스크·레이저수술이 그예다.

그러나 원자는 빛보다 운동량이 훨씬 커 파동성을 이용한 실험은 불가능한 것으로 생각돼왔다.예를 들면 상온에서 움직이는 루비듐원자의 파장은 0.02나노미터에 불과해 거의 무시돼도 좋을 정도.

그러나 20년전 미국에서,원자가 레이저빛을 흡수할 때 빛의 선형운동량도 함께 전달된다는 점을 이용하면 원자의 속도(온도)를 현저히 낮출 수 있다는 흥미로운 제안이 나옴으로써 사정은 달라졌다.

즉 원자의 운동방향과 반대방향에서 빛을 입사하면 빛의 선형운동량이 원자의 운동을 감쇄(냉각)시켜 원자의 속도(온도)를 낮출 수 있다는 것이며 이에 따라 원자의 파동성이 이용가능한 대상으로 떠오르게 된 것이다.

서울대 물리학과 제원호 교수는 『원자의 파동성을 이용하면 그동안 빛의 파동성을 이용하던 여러 실험을 원자를 이용해 할 수 있을 뿐만 아니라 원자만이 지닌 장점을 활용한 새로운 개념의 연구와 응용도 할 수 있을 것』이라고 말한다.

고전광학에서와 마찬가지로 원자광학에서는 원자의 방향을 바꿔주는 원자거울,원자를 집속시키는 원자렌즈,원자를 임의의 방향으로 보내기 위한 원자도파로를 만들 수 있다.또 파동성을 지닌 수많은 원자를 응집해 원자레이저를 구현할 수 있을 것으로 보인다.

이같은 원자의 포획·조작은 광전자기술·반도체소자공학·극미세 물리·양자광학·분자생물학등 다양한 분야에 응용될 수 있다.예를 들어 원자도파로를 이용하면 단일원자를 원하는 곳으로 보낼 수 있어 미래 반도체기억소자개발에 필수적인 단일원자 수준의 원자 리소그라피(식각술)나 미세패턴형성이 가능해질 것으로 예상된다.

또한 원자는 파장이 짧고 질량이 무거워 빛을 이용하는 것보다 훨씬 정밀하고 미세한 측정을 할 수 있게 하는데 우주의 중력파,지구의 중력장,지진파,지구의 회전 및 광선,지구환경영향측정에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 전망된다.이밖에도 우주공학이나 지구위치측정시스템(GPS)에 필수적인,지금보다 1천배이상 정확한 새로운 원자시계제작도 가능해지는 등 원자광학의 응용분야는 무궁무진하다는 것.

한국원자력연구소 이종민 박사는 『원자광학은 21세기 일상생활의 질을 향상시킬수 있는 첨단기술의 핵심분야가 될 것』이라고 내다봤다.<신연숙 기자>