차세대 가속기는 마치 사람이 물에서 파도타기를 하듯 전자가 플라즈마에서 전자기파 타기를 하는 현상을 이용하게 될런지도 모른다. 지난 99년 2월 22일자 논문(Phys. Rev. Lett. 82, 1688)에서 물리학 연구진은 새롭고 매우 정교한 전자빔 만드는 방법을 제안하였다. 그 방법은 매우 강력한 레이저 펄스에 의해 크립톤(krypton) 기체를 강타함으로써 전자빔을 만드는 것이었다.
미국 워싱턴 DC에 있는 해군연구소의 무어 박사(Christopher Moore)와 그의 동료과학자들은 매우 짧고 강력한 적외선 레이저광을 가지고 진공로(vacuum chamber)를 채운 크립톤 기체를 강타하였다. 그 때의 레이저빔 세기는 3×1018 W/cm2로서 미국에서 사용하는 모든 에너지를 순간적으로(1초 동안) 인간의 세포하나에 집중시켰을 때와 맞먹는 크기이다. 이러한 세기의 레이저빔이 크립톤 기체를 때리게 되면 각각의 크립톤 원자로부터 18개의 전자들이 떨어져 나가게 되는데 외곽에 있는 전자들뿐만 아니라 안쪽에 있는 전자들까지도 마치 동시에 외투뿐만 아니라 속에 입은 내복을 벗기듯이 떼어진다. 무어 박사에 의하면 원자내부에서 약하게 묶여 있는 전자들은 레이저빔의 모든 에너지를 받기 전에 빠져 나오게 되지만 안쪽에 강하게 묶여 있는 전자들은 레이저빔의 모든 에너지를 흡수하게 된다. 전자들이 원자를 빠져 나오게 되면 그들은 광속의 4/5에 해당하는 속도를 갖게 된다. 무어 박사는 "전자들이 원자로부터 빠져 나오는 것은 이미 알려진 바이다. 그러나 놀라운 사실은 전자들의 높은 방향성이었다."라고 하였다. 이론에 의하면 전자들은 레이저빔의 편광방향에 약간 더 향해 지기는 하지만 대체로 레이저빔에 수직인 모든 방향(레이저빔에 수직인 평면에서 크립톤 원자로부터 360도 각도의 모든 방향)을 향해 크립톤 원자로부터 탈출하는 것으로 예측되어 왔다. 그러나 무어 박사 연구진에 의하면 전자들은 레이저빔의 편광 방향만을 따라 평행 및 반평행 방향으로 움직이면서 크립톤 원자에서 나오는 것으로 판명되었다. 이는 이론물리학자들의 의견에 상반되는 것으로 앞으로 이를 증명하는 것은 이론물리학자들의 몫으로 되어버렸다. 무어박사의 실험은 입자가속기를 위해 전자빔을 만드는 매우 유익한 방법으로서 가능성을 보인 것이다.
지난 십년 동안 물리학자들은 레이저펄스에 의해 플라즈마에서 진행 전기장을 만드는 wakefield 가속이라는 새로운 아이디어를 보여 주었다. 만약 전자가 파동에 가로채이면 파동의 전기장은 전자를 전기장의 방향으로 잡아 당겨 가속시키게 된다. 이것은 마치 파도타기에서 파도 타는 사람을 지구중력이 파도의 안으로 잡아당겨 넣는 것과 같다. 물리학자들은 이와 같은 wakefield 가속 아이디어에 의해 기존의 수 킬로미터의 길이를 갖는 거대한 가속기를 탁상용의 가속기로 대체할 수 있으리라 믿고 있다. 그러나 이러한 가속기를 위해서는 우선 전자들의 속도와 시간의 완벽한 조절이 필요하게 된다. 한편 그 동안 전자들을 플라즈마에서 저절로 떨어져 나오게 하는 방법들이 제안되었지만 플라즈마 외부로부터의 전자 삽입방법은 무어박사가 처음으로 시도한 것이다.
메릴랜드 대학의 레이저 물리학자 Howard Milchberg 박사는 무어 박사의 전자 삽입방법을 마치 영화에서 달리는 자동차에 뛰어 오르는 주인공에 비유한다. 그에 의하면 "무어 박사 연구진은 아직 가속기를 위한 플라즈마 외부로부터의 전자삽입을 실제로 보여 주지는 못했지만 그들은 femtosecond (1×10－15초) 정도의 오차를 갖는 완벽한 타이밍에 의해 이에 대해 성공할 수 있음을 보여 주었다"라고 설명하였다.
음파에 의해 동행되는 전자
광부가 사금채취통에서 금괴를 채취하듯 물리학자들도 고체에서 음파사이에 전자들을 가둘 수 있다. 음파가 진행함에 따라 전자들이 그 속에서 수송되고, 그러므로 반도체의 이 곳에서 저 곳으로 전기신호가 전달되는 것이다. 지난 99년 3월 8일 논문(Phys. Rev. Lett. 82, 2171)에서는 매우 효율적으로 음파에 의해 전자들이 이동되는 새로운 방법이 보고되었다.
이러한 방법이 응용될 기술로는 CCD 카메라를 들 수 있는데 이 경우 각각의 畵素에 있는 전하가 읽기장치(readout device)로 전달된다. 현재 CCD 카메라에서는 전하가 게이트로 구성된 시스템에 의해 전달된다. 만약 음파가 대신 전하를 직접 전달하게 된다면 전자장치들은 더욱 간단해질 것이다.
음향 전하수송방법은 1976년 처음 실리콘에서 입증되었던 20년 전의 아이디어이다. 그러나 뮌헨대학의 Achim Wixforth에 의하면 과거에 사용되었던 음파에서는 음파에너지의 대부분이 소모되어 그 안에 전자들을 가두어 유도하기가 매우 어려웠다. 반도체에서 음파에 의해 생긴 전압은 전자로 이루어진 얕은 연못바닥에 전자물결 표면을 형성한다. 그러므로 음파는 전자들이 연못바닥을 따라 움직이도록 한다. 만약 전압이 너무 작으면 전자물결이 그렇게 깊지 않아 소수의 전자들만이 물결의 결을 따라 쉽게 한 골에서 다음 골로 빠져들게 된다. 그러므로 음파의 대부분 에너지는 전자연못에서 소비되는 것이다.
Wixforth와 그의 연구진은 음파에 의해 전압 또는 물결깊이를 크게 증가시키는 새로운 방법을 고안하였다. 이 방법에 의하면 전자들은 파동사이에서 전하의 띠를 이루며 완전히 감금된다. 그 전하의 띠는 음파와 함께 일렬로 움직이기 때문에 아무런 에너지도 잃어버리지 않는다. 이러한 방법을 위해 그들은 리튬 니오베이트로 된 압전면 위에 매우 얇은 반도체층을 부착하였다. 라디오에서 수정결정의 역할과 같이 리튬니오베이트는 역학진동을 강한 전기장으로 만들어 준다. 그들은 압전면을 진동시켰을 때 전자기파가 반도체층을 통해 전파되는 것을 관측하였다. 이 때의 전자기파는 압전면 없이 반도체만을 진동시켰을 때보다 훨씬 강력하여 전자들을 가두고 유도하는데 매우 효과적이었다. 결과적으로 Wixforth와 그의 연구진은 에너지손실을 40분의 1 이상으로 줄일수 있게 되었다.
다른 표면음향파 전문가들도 이론적으로 만약 강력한 표면파가 입사된다면 전자들이 무난히 전하띠를 형성하게 될 것으로 예측한다. 뉴욕시립대학의 Gregory Aizin에 의하면 문제는 어떻게 이것을 실험적으로 수행할 것이냐 하는데 초점이 맞추어져야 되고 만약 이것이 성공한다면 더할 나위없는 기술혁명을 이루게 될 것이다.
초전도체가 레이저를 모방하다
초전도체에서는 직류전압이 교류전류로 전환되어질 수 있다. 이러한 이상한 양자역학적 효과는 전자기파를 방출하는 조셉슨접합 소자에서 발생한다. 현재 과학자들은 이러한 예기치 않은 전자기파의 행위를 파헤치는데 노력을 쏟고 있다. 지난 99년 3월 1일자 논문(Phys. Rev. Lett. 82, 1963)에서 조셉슨접합 배열이 레이저와 같은 역할을 한다는 논문이 발표되었다. 마치 원자에 의한 레이저의 경우처럼 조셉슨접합 소자는 한정된 수의 접합들이 작동된 후에는 결맞는 빛을 방출하게 된다. 과거에 이미 이러한 접합구조에 대해 고전물리학적인 방법(조셉슨 접합들을 일반적인 전자회로 이론에 의해 취급하는 것을 의미한다)으로 그 행위를 설명한바 있다. 그러나 위의 실험으로부터 조셉슨접합 배열 소자가 양자역학적으로 빛의 방출을 동시화 시킬 수 있음이 증명된 셈이다. 이러한 조셉슨접합 배열은 연구와 산업에서 사용되는 마이크로파의 방출소자로서도 사용될 가능성이 있다.
조셉슨접합은 중간에 절연박막이 삽입된 두 개의 초전도층으로 구성된다. 이러한 접합의 초전도층 사이에 직류전압을 가하면 전압값에 비례하는 진동수의 교류전류가 생성된다. 1970년대 과학자들은 조셉슨접합이 마치 빛을 방출하는 원자와 같음을 지적한바 있다. 원자는 전자가 高에너지 준위에서 저에너지 준위로 떨어질 때 광자를 방출하게 되고 이 때의 광자 진동수는 두 에너지 준위차에 비례한다. 이와 유사하게 조셉슨접합은 전자들이 접합의 高전압極에서 低전압極으로 터넬링할 때 광자를 방출한다. 그 동안 실험에 의해 수 개의 조셉슨접합이 함께 연결된 소자에서 결맞는 빛의 방출이 관측되어 왔다. 그러나 이 경우의 효과는 일반적인 전자회로 이론에 의해 설명되었다. 이는 마치 스프링에 의해 연결된 두 개의 진자가 결국에 하나로써 흔들리는 것과 같이 접합들 사이의 물리적인 결합 때문에 빛의 방출이 동시성을 갖게 된다는 것이었다.
미국의 메릴랜드 대학의 크리스 롭과 파올라 바브라 등의 연구진은 조셉슨접합 배열이 일반적인 전자회로 이론에서와 같이 고전적으로 연결된 계가 아니라고 생각하였다. 그들은 16 Ռm2 크기의 니오븀, 알루미늄 및 산화알루미늄 층으로 구성된 36×3 접합의 직사각형의 배열을 제작하여 그것으로부터 빛이 방출되는 것을 측정할 수 있도록 실험장치를 설치하였다.
그 결과 그들은 14열 이하의 접합이 작동되었을 때 아무런 빛의 방출도 관측할 수 없었다. 그러나 14열 이상의 접합이 작동되었을 때에는 파장이 수 mm에 이르고, 방출하는 빛의 세기가 접합수의 제곱에 비례한다는 사실을 조셉슨접합 배열을 통해 관측하였다. 이에 대해 바브라는 "처음 빛의 방출이 관측되었을 때 우리는 아무런 설명도 할 수 없었다. 물론 레이저에 관련하여 생각할 수도 없었다." 그러나 레이저에서 충분한 전이전자들이 있어야 빛의 방출이 관측되는 것처럼 조셉슨접합 배열에서도 이러한 아이디어를 통해 실험결과를 설명할 수 있었다.
한편 다른 물리학자들은 위의 결과를 반드시 양자역학이 아닌 좀 더 발전된 고전역학 이론에 의해 설명할 수 있을 것으로 생각하고 있다. 콜로라도주 볼더에 있는 미국 표준과학기술연구소의 샘 벤스에 의하면 위의 조셉슨접합 배열 실험결과는 앞으로 양자역학 대 고전물리학적인 해석적 방법의 차이에 대한 논의를 상당히 불러일으킬 것이다. [편집위원 유종훈 (jhlyou@tiger.korea.ac.kr)]