터널에서 라디오 전파가 약해지는 현상이 첨단과학의 필수적인 ‘강력한 빛’을 만드는 데 쓰일 수 있다. 고전물리학적 통념을 깬 독특한 발견이라 눈길을 끌고 있다.
UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 허민섭 교수는 영국 스트라스클라이드(Strathclyde) 대학의 야로진스키(Jaroszynski) 교수팀과 함께 빛의 진행을 방해하는 ‘컷오프(cut-off)’ 현상이 현대 과학연구에 필수적인 ‘결맞은 빛’을 만들어낼 수 있음을 이론적으로 입증해 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 최신호에 게재했다.
허민섭 교수는 “빛 생성과 멀게 여겨졌던 현상이 유용한 빛을 만드는 데 쓰인다는 걸 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다”며 “더 발견할 게 없을 것이라 여겨진 고전물리학적 현상으로 빛 생성의 패러다임을 바꿀 수 있는 원리를 찾았다”고 말했다.
다양한 종류의 빛은 저마다의 파장을 가진다. 이들은 공기나 물 같은 매질을 통해 전달되는데, 진동수가 낮은 빛은 매질을 통과하지 못할 수 있다. 이처럼 진동수가 낮은 빛(전자기파)이 매질에서 튕겨 나오는 현상이 ‘컷오프(cut-off)’다. 깊은 터널까지 라디오 전파가 들어오지 못하는 이유도 컷오프 현상으로 설명된다.
‘결맞은 빛’ 진동수가 하나로 정해져 에너지가 강력하거나 쓰임새가 정해져 있는 빛을 말한다. 태양빛 같은 자연광은 다양한 진동수를 가진 파장이 뒤섞여 있다. 이와 달리 레이저 포인터의 ‘레이저(laser)’나 전자레인지의 ‘마이크로파(microwave)’, 휴대폰 방출 ‘전자기파’ 등은 진동수가 하나로 정해져 있다. 또 연구 목적으로 사용되는 높은 출력의 ‘방사광 엑스레이(X-ray radiation)’나 ‘군사용 레이더(ladar)’ 등도 각자 목적에 알맞은 진동수를 가진 결맞은 빛이다.
결맞은 빛을 만들어 내는 원리는 단순하다. 하나의 진동수로 결맞게 진동하는 전류를 만들어 내면 여기에서 결맞은 전자기파가 방출되기 때문이다. 만약 휴대폰 내부의 안테나에서 2GHz로 전류가 진동하고 있다면 휴대폰에서는 2GHz의 결맞은 전자기파가 방출되는 것이다.
과학적 목적에 맞는 고출력의 결맞은 전류는 매우 복잡한 과정을 통해 만들어진다. 세계 각국에서 막대한 자금을 들여서 거대한 방사광 가속기를 건설하는 이유도 여기에 있다. 연구 목적에 따른 고출력 결맞은 전류를 만들어내야 강력한 결맞은 빛을 얻을 수 있기 때문이다.
그런데 연구진은 ‘결맞은 빛을 생성하려면 결맞은 전류가 필요하다’는 통념을 깨고 새로운 방식으로 결맞은 빛을 만들 수 있다는 걸 찾아냈다. 일반적인 전류를 컷오프가 나타나는 곳에 두면 결맞은 빛이 생성된다는 것이다. 예를 들어 진동수가 다양한 전류 안테나를 구리로 된 구조물 속에 둔다면, 특정 진동수(컷오프 진동수)만 뽑아져 결맞음 특성을 가진 빛이 만들어진다.
허 교수는 “결맞은 전류를 만들기 위한 복잡한 장치를 없앨 수 있으므로 차세대 결맞은 빛 생성 장치를 만드는 데 효과적으로 사용될 수 있다”며 “앞으로도 스트라스클라이드 대학과 지속적으로 공동 연구해 실험적으로도 아이디어를 입증할 것”이라고 밝혔다.
야로진스키 교수는 “이번 이론 연구 결과는 당연하게 생각하는 현상에 대해서도 열린 마음으로 의문을 품어야 한다는 점을 보여준다”며 “이론 결과가 실험적으로 입증될 경우 매우 큰 파급효과가 있을 것”이라고 강조했다.
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