물리학자들은 원자를 가두기 위해 가끔 울타리를 쳐보지만 그렇게 오래 동안 가둘 수 없었다. 원자를 오래 가두기 위한 것은 소위 Bose-Einstein 응집(BEC)이라 불리우는 양자상태를 만들기 위해서 이다. 그 동안 중성인 원자를 장시간 동안 가두는 방법으로 자기장을 이용해 왔지만, 이 방법은 특정한 종류의 원자와 현상에 대해서만 가능하였다. 최근 연구(Phys. Rev. Lett. 82, 4204 (1999))에 의하면 레이저 빔으로 원자를 5분 이상 가두는 것이 가능하다고 했다. 이는 기존의 광학적인 방법보다 백배 이상 오래 원자를 가둘 수 있고, 자기적인 방법보다는 원자가둠의 범위가 훨씬 크기 때문에 새로운 현상에 대한 물리학자들의 연구에 많은 진전이 있을 것으로 예측된다.
자기적 방법으로 원자를 가두기 위하여 가장 중요한 물리적인 성질은 자기모멘트이다. 자기모멘트가 크면 클수록 원자를 가두기 쉬워지는데, 이러한 강한 자기모멘트는 짝을 이루지 못한 전자로 인해 생긴다. 원자가둠은 원자스핀 상태의 수를 제한해 주는 짝을 이루지 못한 전자들의 스핀상태를 고정한다. 미국 Duke 대학의 John Thomas와 그의 연구진은 그 동안 액체 및 고체의 상태에서만 연구가 가능하였던 양자상태로서 "fermion들로 결합된 축퇴기체"를 준비하려 하고 있다.
미국 Rice 대학의 Randy Hulet은 "레이저에 의한 원자가둠은 오직 수초 동안만 가능하며 그 이유에 대해서는 많은 논란이 있었다"라고 제시하고 있다. 1997년 논문(Phys. Rev. A56, R1095)에서 Thomas 등은 짧은 시간 동안만 원자를 가둘 수 있는 이유에 대하여 레이저의 불안정성으로부터 생기는 원자의 가열현상으로서 설명했다. 최근 그들은 리튬원자(6Li)를 5분 이상 가둘 수 있는 안정된 CO2레이저를 제작하였다. 레이저에 의한 원자가둠은 레이저 빔의 초점 안에서 발진 전기장이 가장 커지기 때문에 이 초점 안으로 원자를 끌어들임으로서 이루어진다. 초점 안에서 레이저 빔에 의해 형성된 전기장은 원자에너지를 최소화시키면서 원자를 편광시킨다. Thomas 등은 레이저 빔의 초점을 100 Ռm 직경의 범위까지 조절하였다. 이러한 공간범위는 약 2만개의 원자를 포함하는 넓이이다.
위의 실험은 레이저의 안정성 외에 1011 Torr의 진공도와 10 Ռm 레이저 파장의 실험조건에서 얻어진 결과이다. 그 동안 원자가둠에 대한 연구에 의하면 만약 레이저 파장이 전자전이의 공명진동수로부터 충분히 멀리 떨어져 있지 않다면 광자의 산란이 원자를 가열한다는 것으로 인식하고 있었다. 그러나 Thomas 등의 연구에 의하여 안정된 레이저를 가짐으로써 처음으로 이러한 원자 가열현상을 제어할 수 있게 되었다.
Hulet은 다양한 전자 스핀상태에 대해 원자가둠을 성공하게 되면, 이를 통해 강자성체와 같이 오직 응집상태에서만 관측이 가능하였던 복잡한 물리적 현상을 연구할 수 있게 되고, 이외에도 많은 응용 가능성이 있음을 예측하고 있다.
세포를 새로운 빛으로 보다
현미경으로 세포를 관찰하기 위하여 과학자들은 흔히 물감 또는 형광염료를 사용한다. 어떤 단백질은 염료 없이도 빛을 낸다. 지난 5월 17일자의 논문(Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999))에서 세포내부의 분자진동을 이용하여 살아 있는 세포의 3차원 영상을 얻는 레이저 측정기법이 보고되었다. 이 논문에 의하면 오직 세포에 레이저를 조사하여 세포내부의 미토콘드리아 영상을 얻을 수 있다는 것이다. 이 논문의 저자들은 형광발색 방법 또는 인공염료에 의해서 관찰이 불가능한 분자를 연구하는데 이 방법을 응용할 예정이다.
그 동안 생물물리학자들은 세포의 고분해능 3차원 영상 및 단백질 單분자를 관찰하는데 형광분광 방법을 사용해 왔다. 독일의 Andreas Zumbusch, 미국의 Gary Holtom 및 Sunney Xie는 염료에 의해 물들지 않거나 자신이 직접 형광을 내지 않는 세포성분들의 영상을 얻으려고 시도해왔다. 그들은 1980년대 초부터 소위 CARS(coherent anti-Stokes Raman scattering)라는 측정방법을 미국 해군연구소에서 연구할 당시 사용하였으나 고분해능의 3차원 영상을 얻을 수 없었다.
CARS 측정방법은 세포막의 긴 탄화수소 고리에서 흔히 볼 수 있는 탄소-수소 결합의 잡아당김 진동수(stretching frequency)와 같은 진동수에서 진동하는 원자로 구성된 분자를 탐지하는데 그 목적이 있었다. 세포에서 이러한 분자의 영상을 얻기 위해 Zumbusch 등의 연구진은 pump 빔으로서 855 nm 파장, 그리고 Stokes 빔으로서 1.2 Ռm의 두 레이저 빔을 사용하였다. 두 빔이 조화되어 에너지 차가 정확히 탄소-수소 결합 에너지가 될 때 anti-Stokes라 부르는 강력한 빔이 생성되는데 이는 광자와 탄화수소의 상호작용에 기인한다. 시료에서 레이저 빔의 조사영역을 옮겨가면 그 조사부분으로부터 anti-Stokes 빔을 탐지하게 되고, 그로부터 세포에 대한 탄화수소의 농도를 지도화할 수 있게 된다.
이를 통해 얻은 영상은 미토콘드리아를 가장 명확히 보여 주고 있는데 그 이유는 미토콘드리아가 탄화수소를 가장 많이 포함하고 있기 때문이었다.
비록 CARS 방법은 염료를 사용하지 않지만 형광 방법에서 수행했던 것 같이 세포 내부의 빠른 변화를 쫓아갈 만큼 신속하거나 민감하지 않다는 단점을 갖고있다. 그러나 CARS는 탐지될 분자를 손상시키지 않을 뿐만 아니라 결맞는 빔을 사용하는 관계로 방출되는 모든 광자가 퍼져 없어지지 않고, 다시 모아진다는 장점을 가지고 있다.
미국 코넬대학교의 Wat Webb은 CARS 방법을 새로운 시스템에 응용하려는 것은 매우 훌륭한 생각이고, 이에 의하여 많은 유용한 정보를 얻을 수 있으리라 생각하고 있다. 그러나 그는 CARS 방법의 여러 장점에도 불구하고 Zumbusch에 의해 보고된 낮은 반응도와 민감도로 인해 세포 등의 생물 시스템 응용에는 회의적이다. 한편 Holtom은 이러한 문제를 해결하기 위해 이미 새로운 계획을 수립하여 연구를 진행하고 있다.
자기공명을 이용한 수맥찾기
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병원의 MRI는 강력한 자석을 사용하고 있지만 수맥찾기의 핵자기공명(NMR)영상은 그 만분의 일에도 못미치는 지구자기장을 이용한다. 핵자기공명 이론에 의하면 만약 원자핵이 정자기장에 놓임과 동시에 그 위에 발진 자기장을 가하면 그 원자핵은 자신의 발진 자기장을 만들고, 원자핵 주위에 감겨진 코일은 원자핵의 발진 자기장을 감지하게 된다.
이 때 원자핵에 발진 자기장이 가해질 때 펄스의 길이를 달리 변화시키고, 이러한 펄스들을 달리 구성함으로써 영상시스템은 지하의 다른 깊이에 있는 물의 양성자(수소 원자핵)로부터 각기 다른 신호를 얻게 된다. 물론 이 때의 신호로서 물의 수소 원자핵으로부터 발생되는 것만을 얻게 된다. 이는 같은 수소 원자핵이라 할지라도 물에 있는 수소 원자핵은 바위 또는 다른 물질에 함유되어 있는 수소 원자핵의 신호로부터 구별되어 지기 때문이다. 한편 펄스에 의한 자기장 세기는 지표면 깊이에 따라 감소되고, 그로 인해 낮은 자기장에 의해 반응되는 물의 수소 원자핵은 긴 펄스에 대해 더욱 민감해진다.
원래 러시아에서 개발되었던 것을 응용한 프랑스의 Iris Instruments사의 상업용 장비는 코일로서 지상에 둘러친 100 m 직경의 원모양의 도선을 이용한다. 이 도선은 송신용의 안테나와 수신기 역할을 동시에 하고, 신호를 전자장비와 컴퓨터에 연결해준다. 미국 콜로라도주 Golden에 있는 Blackhawk Geometrics사의 Peter Weichman은 Iris 장비의 문제점으로 지표면의 전기 전도도가 정확히 고려되지 않은 데이터 처리 소프트웨어를 지적하였다. 지표면의 전기 전도도는 자기 펄스가 지하로 퍼진 다음 다시 되돌아 올 때까지 시간차를 유발하는데, 이러한 시간차가 Iris Instruments사의 데이터 처리 소프트웨어에서는 전혀 고려되지 않았다. 한편 Weichman 등은 데이터 처리 소프트웨어에 시간차를 고려해 줌으로써 지하 80 m까지 물의 위치와 양을 정확히 측정하였다.
Weichman 연구진은 앞으로 이에 관련된 새로운 기술을 개발할 뿐만 아니라 이를 환경오염 물질을 제거하는데 이용할 예정이다. 그들은 이러한 기술을 응용하면 오염물질의 위치 뿐만 아니라 오염물질이 확산될 흙 및 바위의 공극 크기의 분포까지도 탐지할 수 있을 것으로 생각하고 있다. 이러한 장비는 이미 사막에서 지하수를 찾는데 사용되고 있고, 이스라엘의 한 과학자는 그 동안 관측해온 異狀현상을 연구하는데 이 장비를 사용하고 있다.
IRIS Instruments사의 사장인 Pierre Valla는 자사의 장비에 대한 결점을 "지금까지 우리는 1차의 근사 수준에서 작업을 해 왔다"라는 표현으로서 인정하고 있다. 그러나 IRIS Instruments사는 이미 장비의 결점을 보완하는 새로운 작업을 진행하고 있다. [편집위원 유종훈 (jhlyou@tiger.korea.ac. kr)]