그동안 이론적으로만 연구되어 오다가 최근에야 관련 실험 연구가 시작된 강력장 양자전기역학 현상을 국내 연구진이 최초로 입증했다.
광주과학기술원(GIST)은 물리·광과학과 남창희 교수와 고등광기술연구소 성재희 수석연구원 연구팀이 초강력 레이저를 이용해 강력장 양자전기역학(Strong Field Quantum Electrodynamics) 현상인 비선형 콤프턴 산란을 실험적으로 입증했다고 21일 밝혔다.
빛과 물질의 상호작용의 가장 근본적인 이론은 특수 상대론과 양자역학을 결합해 만든 양자전기역학이다. 약한 빛의 양자전기역학은 1950년대까지 이론이 완성되고 검증도 완료됐으나 강력한 빛에 의한 양자역학적 진공이 빛-물질 상호작용에 영향을 끼치는 강력장 양자전기역학은 관련 연구가 부족한 실정이다.
이번 연구 성과로 강한 세기의 빛-물질 상호작용에 대한 기존의 실험적 한계를 획기적으로 극복했을 뿐만 아니라, 우주에서 일어나는 천체 현상을 지상에서 구현할 가능성을 열었다.
GIST-IBS 연구팀은 이번 연구를 통해 초강력 레이저를 이용해 빛의 세기가 극히 강력한 영역에서 비선형 콤프턴 산란을 직접적으로 실증함으로써 빛-물질 상호작용의 새로운 탐구 영역을 개척했다.
연구팀은 이미 2021년에 자체 개발한 초강력 레이저를 이용해 집속된 세기가 세계 기록을 달성한 바 있으며, 자체 개발한 세계 최고 세기의 4 PW(페타와트) 초강력 레이저를 이용해 비선형 콤프턴 산란을 세계 최초로 구현했다.
초강력 레이저를 두 개의 빔으로 가른 후, 하나의 레이저 빔은 기체에 집속시켜 고에너지 전자를 발생시키고 다른 빔은 이 고에너지 전자와 충돌시켜 비선형 콤프턴 산란을 일으켰다.
남창희 교수는 “이번 연구 성과를 통해 빛과 물질의 상호작용 연구가 양자적 진공이 상호작용의 주인공으로 등장하는 새로운 영역 즉, 강력장 양자전기역학에 진입하게 되었고, 더불어 진공의 본질을 더 잘 이해하게 되었다”고 말했다.
이어 “초강력 레이저를 이용한 빛-물질 상호작용의 연구를 통해 다양한 천체 현상을 지상에서 구현해 지금까지 제시된 이론적 예측을 확인하고 새로운 물리 현상을 발견할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 IBS 초강력레이저과학 연구단사업과 GIST 극초단광양자빔 연구시설 운영사업의 지원을 받았으며, 광학 분야의 국제 학술지 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 지난 14일 온라인 게재되었다.
/이동기 기자