아토초 물리학의 인도 풍미

가장 작은 것보다 작은 것, 가장 빠른 것보다 빠르게 일어나는 사건을 볼 수 있을 때 우리 인간은 경이로운 세계를 발견했습니다. 우주는 10억년 동안 존재한다고 하는데, 1초를 그 많은 부분으로 나누는 동안 무슨 일이 일어날 것이라고 생각하시나요? 10억분의 1초를 토토초라고 하며, 이제 인간은 길이가 수십 아토초에 불과한 빛의 섬광을 생성할 수 있습니다. Anne Lhuillier, Pierre Agostini 및 Ferenc Krauss는 아토초 길이의 빛의 섬광을 가능하게 한 선구적인 연구로 2023년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

인도 봄베이 공과대학의 물리학자 고팔 딕시트(Gopal Dixit) 교수가 아토초 물리학 분야에 적극적으로 기여했다는 사실은 흥미롭습니다.

“아토초 물리학 분야가 조만간 노벨상을 받게 될 것이라고 확신했습니다. 이는 자연의 근본적인 주제이자 향후 양자 기술에 큰 도약을 가져올 수 있는 잠재력도 큽니다.

Dixit 교수와 그의 팀은 아토초 물리학의 다양한 이론적 측면과 응용 분야를 연구하고 있습니다. 그들은 노벨상 수상자, 그들의 팀, 기타 연구자들이 해결하고자 하는 일부 문제를 해결하는 데 도움을 주었습니다.

아토초 펄스: 생성 방법 및 수행할 수 있는 작업

1990년대에 Anne Lhuillier는 몇 개의 진동만 포함하고 길이가 수백 토토초에 달하는 짧은 빛의 폭발을 생성하는 방법을 확립했습니다. 레이저 빔으로 네온과 같은 비활성 기체 원자를 공격했습니다. 레이저 빛이 원자에 닿으면 비활성 가스에 있는 원자의 전자에 에너지를 제공합니다. 전자는 에너지를 흡수한 다음 원래의 빛보다 몇 배 빠른 진동을 통해 빛의 형태로 방출합니다. 원자의 진동을 중첩하는 방법을 신중하게 설계함으로써 그녀는 최대 100분의 1초 길이의 펄스를 생성할 수 있었습니다. 2001년에 Pier Agostini는 이 연구에서 밝혀진 정보를 활용하여 각 펄스 길이가 250아토초에 불과한 매우 짧은 펄스열을 생성하는 기술을 개발했습니다. Ferenc Krauss는 독립적으로 650아토초의 단일 펄스를 생성할 수 있습니다.

매우 짧은 빛 펄스를 생성하는 능력은 여러 가지 가능성을 열어 주었으며, 그 중 가장 중요한 것은 전자가 물질 내에서 어떻게 행동하고 움직이는지를 관찰하는 능력입니다. 아인슈타인은 원자가 빛에 노출되면 그 원자에서 전자가 방출(광이온화)될 것이라고 예측했습니다. 전자는 빛으로부터 에너지를 흡수하면 즉시 자유로워진다고 믿어졌습니다. 2010년에 아토초 펄스가 가능해진 후 크라우스는 전자가 네온 원자를 탈출하는 데 걸리는 시간을 관찰하고 측정했습니다. 그는 사건이 순간적이지 않을 뿐만 아니라, 즉 전자가 몇 아토초 후에 탈출할 뿐만 아니라, 소요되는 시간도 전자의 초기 에너지에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. Lhuillier는 2011~2012년에 아르곤을 이용한 실험을 반복했습니다.

이론과 실험 결과의 매칭

실험이 수행된 후 얼마 동안 물리학자들은 이론 모델에서 데이터 포인트를 재현하고 이를 실험 결과와 일치시킬 수 없었습니다. Dixit 교수와 그의 팀은 2013년에 Lhuillier 실험의 데이터 포인트 3개 중 2개를 일치시킬 수 있는 이론적 방법을 제안하여 물리학자들에게 실험이 타당하고 이론과 일치한다는 확신을 주었습니다.

전자가 광 펄스에서 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 전환되는 것처럼(광이온화), 빛의 형태로 에너지를 방출하고(광방출) 원자에 결합될 수도 있습니다(광재결합). 2014년에 Agostini는 아르곤 기체에서 전자의 광전자 방출 및 광재결합 시간을 측정했습니다. 측정 중에 그가 만든 기본 가정은 광이온화가 단순히 가역적인 광재결합 과정이라는 것입니다. 현재의 이론적 접근 방식은 이러한 실험에서 나타난 결과를 부분적으로만 설명할 수 있습니다. Dixit 교수의 2015년 연구에서는 아르곤의 광재결합에 대한 실험 데이터를 성공적으로 재현할 수 있었고, 광이온화와 광재결합이 시간이 지남에 따라 역전되는 동일한 과정임을 입증했습니다.

“Agostini 실험의 타당성에 대한 확인은 광이온화와 광재결합의 유한한 시간 지연이 측정 가능한 과정이라는 아토초 커뮤니티에 확신을 주었습니다.”라고 Dixit 교수는 설명합니다.

원자 과정의 사진 및 비디오 캡처

아원자 현상을 이미지화하기 위해 아토초 펄스를 사용할 때 연구원들은 “펌프 프로브” 기술을 사용합니다. 아토소닉 펄스를 생성하는 과정에서 전자에 에너지를 전달하는 데 사용되는 빛의 펄스를 “펌프” 펄스라고 합니다. 그런 다음 연구자들은 “프로브” 펄스라고 하는 또 다른 빛 펄스를 사용하여 연구하려는 원자의 전자에서 나오는 빛으로 구성된 패턴을 읽습니다. 그런 다음 이 패턴을 해석하여 경험과 관련된 사건 및 현상에 대한 정보를 수집합니다.

“토토초 펌프 탐침 실험은 시간이나 주파수에서 전자의 움직임에 대한 정보를 제공합니다. 하지만 연구자들은 전자 움직임의 전체 영상을 3차원(실제 공간)에서 실시간으로 보는 것을 꿈꿉니다. 엑스레이는 우리가 고체 내부를 보는 데 도움이 될 수 있습니다. “시간 분해 X선 회절은 시간에 따른 변화를 모니터링하는 데 도움이 되는 다용도 방법입니다. 이를 통해 필름을 만들 수 있습니다.”라고 Dixit 교수는 말합니다.

그러나 X선은 전자와 상호 작용하여 필름을 부정확하게 만들기 때문에 왜곡을 유발합니다. Dixit 교수의 연구는 이러한 왜곡을 보상할 수 있는 방법을 제공했으며, 캡처된 이미지를 처리함으로써 전자 동작의 보다 정확하고 선명한 비디오를 편집할 수 있습니다.

또한 Dixit 교수는 생성된 토토초 펄스의 분극 상태(전파 방향에 대한 전기 및 자기 진동의 방향)를 예측하는 방법을 확립했습니다. 펌프 펄스의 편광 상태를 아는 것은 이미지화되는 물체에 대한 특정 사항을 찾는 데 유용합니다. 예를 들어 분자 안에 원자가 왼손잡이 또는 오른손잡이 배열이 있는지 아는 것입니다. 일부 분자(키랄 분자라고 함)는 이를 구성하는 원자가 두 가지 다른 방식으로 배열되어 있을 수 있습니다. 한 배열의 거울 이미지는 왼손과 오른손처럼 다른 배열에 겹쳐질 수 없습니다. 하나는 의료용 약물처럼 매우 유용할 수 있지만 다른 하나는 기껏해야 효과가 없고 최악의 경우 독성이 있을 수 있으므로 정확한 순서를 아는 것이 중요합니다.

다른 연구에서 Dixit 교수와 그의 팀은 펌프-프로브 기술을 사용하여 분자 내에서 전하가 어떻게 분포되는지 관찰하여 분자 내 전자의 움직임을 시각화했습니다. 이번 발견은 복잡한 화학 반응이 일어날 때 전자가 어떻게 교환되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Dixit 교수의 최근 연구에서는 분자에 탄소와 기타 원소가 포함된 오각형 고리가 포함된 화합물의 전하 이동을 탐구했습니다.

향상된 아토초 펄스 소스

아토초 펄스를 생성하는 초기 방법은 가스를 사용했으며 부피가 크고 값비싼 장치와 복잡한 방법을 사용했습니다. 토토초 펄스를 사용하려면 펄스의 지속 시간, 주파수 및 분극에 대한 더 큰 제어가 필요합니다. 광원은 휴대가 간편하고 사용이 쉬워야 합니다.

Dixit 교수 팀은 고체 물질을 사용하여 아토초 펄스를 생성하는 계획을 연구하고 있습니다.

“고체 재료를 사용하여 아토초 펄스를 생성하는 것은 설정이 콤팩트하고 강렬한 아토초 펄스를 생성하기 때문에 아토초 물리학 및 포토닉스의 판도를 바꾸는 것입니다. 앞으로는 공급업체로부터 소형 아토초 레이저 생성기를 구입하는 것이 가능할 수도 있습니다. 이제 다른 레이저 소스를 구입할 수 있기 때문입니다.”라고 Dixit 교수는 말합니다.

동시에 그는 의도된 빛의 편광으로 펄스를 생성할 수 있는 이론을 제시했습니다.

아토초 기반 양자 기술

컴퓨터가 더 빨라지더라도 컴퓨팅의 각 단계가 발생하는 속도(클럭 속도)는 한계에 도달했습니다. 양자 컴퓨팅은 속도 제한을 극복하고 계산 속도를 몇 배로 향상시킬 수 있는 기술입니다.

Dixit 교수팀의 이론적 연구에서는 ‘위’ 또는 ‘아래’일 수 있는 스핀이라는 전자의 특성을 사용하여 컴퓨터의 시계로 사용할 수 있는 매우 높은 주파수의 진동을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 실리콘에 제어된 불순물을 도입하면 복잡한 고속 전자 회로가 가능해지는 것처럼 특정 재료에 특정 결함을 도입하면 재료의 스핀이 바뀔 수 있습니다. 이러한 물질에 빛을 비추면 전자는 원래의 빛보다 훨씬 높은 주파수로 진동을 생성합니다.

Dixit 교수는 “처음으로 우리는 전자의 스핀을 사용하여 오늘날의 주파수보다 훨씬 높은 주파수에서 전자의 진동을 제어할 수 있다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. “이는 프로세서의 클럭 속도를 최소 1,000배 이상 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 결함이 있는 재료에 조심스럽게 레이저 펄스를 비추어 접습니다.” “.

이들 그룹의 또 다른 최근 연구에서는 계곡 상태라고 불리는 전자의 또 다른 특성을 감지하고 제어하는 ​​광학적 방법을 탐구합니다. 계곡 상태는 양자 컴퓨팅에서 계산 단위, 즉 큐비트를 나타내는 데 사용될 수 있습니다. 큐비트를 더 빠르게 발견하고 제어하면 양자 컴퓨팅 속도를 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

“모든 연구의 궁극적인 목표는 인간의 생활 수준을 향상시키는 것입니다. 아토초 물리학은 화학자가 새로운 분자를 설계하는 데 도움이 될 수 있고, 실온에서 테이블탑 양자 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있으며, 초기 단계에서 암을 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 Dixit 교수는 결론지었습니다.