광파의 진동수 측정하기
심장박동의 진동수를 측정하는 것은 매우 간단하다 - 주어진 시간에 박동의 수를 재면 된다. 더 나아가 100 MHz 고주파신호의 경우도 비슷한 원리로 전자계수기에 의해 진동수를 잴 수 있다. 그러나 600 THz(6×1014 Hz) 광파의 경우에는 너무 빨리 신호가 바뀌기 때문에 이러한 광파에 대한 진동수측정에 많은 측정장비가 요구된다. 그러므로 이러한 超高진동수 측정은 전 세계에서 오직 소수의 실험실에서만 가능하다. 지난 6월에 발표된 논문[Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000)]에서 어느 실험실에서도 간단히 광파의 진동수를 측정할 수 있는 새로운 방법을 보여 주었다. 그러므로 이러한 측정기술은 앞으로 물리학의 기본원리를 시험하는데 많이 응용될 것으로 예측된다.
미국 국립표준기술연구소(NIST) 및 콜로라도 대학교(University of Colorado, Boulder)의 John Hall은 "열 두 자리까지의 측정은 단지 힘들다는 말 이상의 것이다"라는 말로서 그들의 실험이 그렇게 수월하지 않았음을 보여 준다. 원자전이에 관련된 빛에 의한 측정은 지난 세기 이래로 그 정확도가 입증되어 왔고, 이를 통해 과학자들은 양자세계와 원자물리학에 관해 많은 것을 배우고 있다.
1983년 Hall과 그의 동료들은 그 당시로는 가장 정확히 광진동수를 측정하였다. 그러나 이를 위해서는 여덟 명의 물리학자가 20개의 레이저를 사용해야만 가능할 만큼 많은 노력이 필요하였다. 진동수 단위를 정의해주는 9 GHz 세슘 원자시계로부터의 신호를 기준으로 이를 두배, 세배로 증가하여 떨개들(oscillators)을 연쇄적으로 측정될 광파의 진동수까지 만들어 줘야만 이러한 측정이 가능하였던 것이다.
Hall과 Max Planck 연구소의 Ted Hansch 연구진은 단번에 마이크로파와 광파 사이를 다리 놓아주는(bridge) 새로운 기법을 사용하였다. 이러한 기법을 위해 그들은 원자시계에 때맞는(synchronized) 반복률 100 MHz의 12 fs(1.2×10－14 s) 광펄스용 레이저를 사용하였다. 그 광펄스 스펙트럼은 흔히 매우 좁은 100 MHz 선들로 구성된 "빗살(comb)"로서 구성되며 이러한 선들을 세어 광파의 진동수를 측정하게 된다. 그들은 광펄스를 새로운 광섬유(예를 들면 실리카)를 통해 통과시켜 대부분 가시광 영역대에서 빗살을 형성하였고, 세슘 원자시계에 의해 수 백만개의 빗살간의 간격을 정확히 결정함으로써 광펄스에 대한 진동수를 측정할 수 있었다. Hall은 이를 마치 제3차 조화진동수를 얻기 위해 레이저 진동수를 세배로 올려줌으로써 4백만번째 빗살 조화진동수를 측정하는 것이 마치 과거의 4백만개의 레이저에 해당하는 실험과 같다고 하였다.
이상적으로는 어떤 레이저빔의 진동수라도 레이저선(line)과 빗살선(line) 사이의 거리가 기존의 기술에 의해 결정될 수 있다. 그러나 문제는 빗살선들의 간격은 정확히 알려지지만(약 100 MHz) 그 빗살선의 절대적인 위치가 정의되지 않는다는 데 있다. 이를 위해서 Hall 연구진은 네오디늄:YAG 레이저의 1차와 2차 조화선(harmonic line)을 사용하여 어떤 광펄스에 대해서도 정확히 진동수를 측정하였다. 그들은 YAG에 대해서 여태 진행해 온 어떤 실험보다도 정확히 진동수를 10－11 정도로 측정하였고, 다른 두 레이저선에 대해서도 이 정도의 정밀도를 가지고 시험하여 YAG 레이저를 실험장치에서 제거하였다.
이러한 광파 측정기술의 발달에 의해 Hall은 앞으로 5년 이내에 현재 kHz 수준의 라디오파에 행하는 기술이 광파의 진동수에도 적용할 수 있는 상업용 측정장비들이 나올 것으로 예상하고 있다.
Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
탄소 나노튜브의 길이 늘리기
탄소 나노튜브는 우주왕복선에 쓰이는 첨단소재보다도 강하다고 한다. 그러나 직경크기 1 nm의 순수 탄소튜브에 대해 역학적인 물성을 측정하기란 그렇게 간단하지 않다. 그래서 그 동안 탄소 나노튜브에 대한 물성은 주로 컴퓨터 모의실험과 간접적인 방법에 의존하여 왔다. 그러나 최근 보고[Phys. Rev. Lett. 84, 5552 (2000)]에 따르면 미국 Washington 대학(St. Louis)의 Rodney Ruoff 연구진은 직접적인 방법에 의해서 나노튜브의 강도를 측정하였다. 즉, 그들은 나노튜브에 힘을 가하여 끊어질 때까지 잡아당김으로써 힘과 늘어난 길이를 동시에 측정하였던 것이다. 그들의 결과에 의하면 여태까지 알려진 물질 중 강도(strength)의 면에서 탄소나노튜브가 가장 강한 물질이라는 것이 확인되었고, 이 때 사용하였던 기술이 앞으로 탄소나노튜브의 물성측정에 가능할 것이다.
나노튜브는 높은 강도 및 뻣뻣함(stiffness) 모두를 갖고 있는 희귀한 소재이다. 그러므로 소재엔지니어 또는 항공기조정사들은 비행기와 우주왕복선을 위해서 이러한 물질을 원하고 있다. 한편 나노튜브는 그 작은 크기와 강도로 인해 이러한 미래의 초미세기계(nanomachines), 그리고 초미세기계의 가공을 위한 기구로도 매우 각광을 받을 것으로 예상된다. 이외에도 나노튜브에 대한 역학적 물성측정에 쓰이는 측정기술이 앞으로 전자회로에도 응용될 것으로 추측되고 있는데, 이는 나노튜브를 건드릴 때 생기는 전도율의 변화를 미세회로에 응용할 수 있기 때문인 것이다. 비록 낱벽(single-walled)의 나노튜브는 너무 작아서 측정이 거의 불가능한 상태이기는 하지만 Rodney Ruoff 연구진은 최근 20 nm에서 40 nm 직경의 다벽(multi-walled) 나노튜브의 시험을 거쳐 지금은 같은 직경의 낱벽 나노튜브에 대해서 역학적 물성을 측정하고 있다.
기존의 기술을 사용하여 연구진은 순수한 나노튜브로 이루어진 1 cm2의 "Buckytube" 종이조각을 사용하였고, 그 종이조각을 찢어 나노튜브의 거친 끝을 만들 수 있었다. 그들은 그 거친 면의 하나를 주사전자현미경(SEM) 안에 놓고 날카로운 원자힘 탐침(atomic force probe)을 잘 조절하여 나노튜브 다발의 거친 면에 집어넣음으로써 나노튜브 다발 중 한 개의 나노튜브 끈(여기서 나노튜브 끈은 약 수 백개의 나노튜브로 이루어 짐)에 탐침을 접촉시킬 수 있었다. 그 다음 그들은 기존의 SEM 접착기술을 사용하여 SEM 전자빔을 접촉부분에 쪼여줌으로써 주위에 있는 기체상태의 수소화탄소를 분해하였고, 이를 통해 나노튜브를 탐침에 접착하게 되었다.
Washington 대학 연구진은 나노튜브 끈의 잡아당김 힘을 발견하기 위해서 그 끈을 잡아당김에 따라 드는 힘을 관측하였는데 이를 위해서 탐침의 휘어짐을 측정하였다. 그들은 그들의 실험에서 나노튜브를 잡아당길 때 나노튜브의 길이의 변화로 인해 끈으로부터 어두운 불순물 입자들이 생기는 것을 관측하였다. 끈당 수 백개의 나노튜브가 있는 것으로 가정 하면, 한 개의 나노튜브를 끊는데 필요한 변형력(stress)은 30에서 50 GPa 정도인 것으로 추정하였다. 우주왕복 및 스포츠 기구에 쓰이는 탄소섬유의 변형력이 약 5 GPa, 그리고 철의 경우에는 3 GPa인 것을 비교하면 탄소나노튜브의 경우는 매우 강한 편이다. 한편 Ruoff 연구진은 나노튜브의 뻣뻣한 정도(stiff)를 측정하였는데 결과에 의하면 약 1000 GPa 정도로서 다른 소재와 비교할 때 매우 큰 값이다. Washington 대학 연구진의 실험은 비록 같은 실험환경의 재현이 어려운 모의실험과 비교하기는 어렵지만 변형력과 뻣뻣함 정도에서 어느 정도의 오차 범위 내에서 이론치에 일치하고 있다.
This work may not be reproduced, resold, distributed or modified without the express permission of the American Physical Society.
박수갈채의 물리학
극장의 관객들은 단순히 감사의 표시에서 때맞음의(synchronized), 그리고 율동적인 박수갈채를 보내는 것이 아니다. 지난 보고[Phys. Rev. E 61, 6987 (2000)]에 의하면 관객들의 갈채에는 꽤 복잡한 물리학이 내포되어 있다. 루마니아의 Zoltan Nda 연구진은 유럽의 극장과 컨서트홀에서 녹음된 자료를 분석하여 관객의 율동적인 갈채가 우리에게 예전에 알려지지 않았던 새로운 형태의 순간적인 때맞음의 형태라는 것을 알아내었다.
처음에 막펄스(random pulse)이다가 나중에는 율동적인 행위로 나타나는 것은 심장의 박동에서 반딧불에 이르기까지 자연에서 보편적으로 일어나는 현상이다. 이론물리학자들은 이러한 현상을 설명하기 위해서 동일한 흔들이(pendulums)가 직렬로 연결된 경우보다 서로 결합된 떨개(oscillators)에 대한 컴퓨터 모의실험 및 수학적 모형을 사용해 왔다.
Nda 연구진은 그 율동적인 갈채가 1980년대 후반 일본의 이론물리학자들이 썼던 모형(Kuramoto model)으로 설명할 수 있는 새로운 현상임을 발견한 것이다. 우리가 예측하는 바와 같이 이러한 모형은 율동적인 행위가 오직 떨개들 사이의 상호결합이 충분히 강해질 때만 적용될 수 있다. 즉 관객들이 다른 사람들의 박수율의 변화를 충분히 깨달아야 이러한 율동이 이루어진다는 것이다. 그러나 그 모형에 의하면 상호결합의 정도는 갈채의 분산(즉, 관객에 의한 박수율의 퍼짐 정도)에 크게 의존한다는 것이다. 즉, 박수율의 변화가 큰 관객의 경우에는 다른 관객과 잘 상호결합되어질 수 없어서 율동적인 갈채에 끼어들기 어렵다.
이러한 상호결합에 의존하는 분산을 실생활의 현상에서 설명하기 위해서 루마니아 연구진은 루마니아 및 헝가리의 극장에서 오페라 하우스에 이르기까지 율동적이건 비율동적이건 상관없이 여러 환경에서 박수갈채를 녹음하였다. 그들 자료에 의하면 이론적 모형이 요구하는 대로 율동적인 박수갈채를 원하는 관객들은 사실 그들의 박수율을 가능하면 일정하게 하는 것으로 나타났다. 그리고 갈채의 박수율이 거의 완벽에 가깝게 일정해지면 모든 관객들은 이제 끝내야 한다는 것을 깨닫게 된다는 것이다.
그러면 왜 박수갈채는 가끔 사라지게 될까? Nda에 의하면 느리고 율동적인 갈채는 빠른 막갈채와 같이 귀에 거슬리지 않다는 것이다. 낮은 소리는 관객으로 하여금 다른 관객과의 상호결합성을 잊어버리고 박수율의 퍼짐정도를 율동적인 갈채로 유지되지 못하게 한다. 그래서 갈채는 잡음이 되어버리고 만다.
Nda 연구진에 의하면 이러한 박수갈채의 원리를 이해하는 관객은 자기 마음대로 박수의 속도와 퍼짐정도를 변화시킴으로서 율동적인 갈채를 만들기도 하고 사라지게도 한다는 것이다.
[편집위원 유종훈 (jhlyou@tiger.korea.ac.kr)]