광 펄스의 경로 캡처하기
FOCUS: Capturing the Path of a Light Pulse

한 팀의 연구자들이 일련의 거울들에서 반사되는 광 펄스가 3차원 상에서 이동하는 고속 영상을 캡쳐하는데 성공했다.1) 예전의 노력들은 단지 2차원으로 움직이는 펄스들만 기록했다. 이 팀의 성취는 새로운 고분해능, 고속 카메라에 의해 가능해졌다. 이 데모는 고속 이미지 센서의 부상하는 기능을 보여주었고 시간 분해(time-resolving) 의료 영상과 자동차 안전 기능과 같은 기술들에 있어 잠재적인 응용성에 대한 힌트를 준다.

시간 분해 영상법에서는 종종 광 펄스의 정확한 위치를 추적하는 것이 중요하다. 그러나 이 임무는 다른 물체들의 동작을 관찰하는 것보다 더 복잡하다. 왜냐하면 광 펄스는 그것의 궤적을 검출하는데 사용되는 산란광만큼 빠르게 움직이기 때문이다. 안개를 통과하며 3차원으로 일련의 거울 사이에서 반사하는 펄스를 생각해 보자. 고속 카메라는 펄스의 위치에 대한 2차원 영상을 캡처할 수 있다. 그러나 연구자들은 펄스와 카메라 사이의 거리인 깊이라는 세 번째 차원과 관련해 어려움을 겪어 왔다. 밤하늘의 별과 같이 레이저 펄스는 카메라의 시야에서 이차원적으로 위치를 특정하는 것은 쉽지만 펄스까지의 거리를 측정하는 것은 더 어렵다.

과거 몇 년 동안, 연구자들은 깊이를 측정하기 위한 새로운 방법에 대해 실험하기 시작했다. 그것은 펄스의 “겉보기(apparent)” 속도(카메라의 2차원 시야를 가로질러 움직이는 것처럼 보이는 속도)가 펄스의 실제 움직이는 방향에 의존한다는 사실에 기반한다. 카메라를 향해 움직이는 펄스는 안개에 의한 산란광이 다른 위치로부터 카메라에 도달하는 시간에 의해 광속 c보다 겉보기 속도가 더 높을 수 있다; 카메라에서 멀어지는 방향으로 움직이는 펄스는, 비록 진정한 속도는 항상 c임에도 불구하고, 훨씬 낮은 겉보기 속도를 가진다. 겉보기 속도로부터 이 방향에 대한 정보를 결정함으로써 깊이 좌표를 계산하는 것이 가능하다.

이 기법은 짧은 시간 스케일에서 동작되면서도 높은 공간 분해능을 제공하는 정교한 감지기를 필요로 한다. 작년, 영국 University of Glasgow의 Daniele Faccio가 이끄는 팀은 주로 2차원으로 움직이며 깊이 방향으로는 단지 약간 변하는 레이저 펄스에 대해 3차원 펄스 추적 기법의 요소들을 시연했다.2) 검출기는 필요로 했던 높은 시간 분해능을 가지고 있었으나 더 일반적인 3차원 운동을 검출하는 기술을 구현하기에는 화소의 수가 너무 작았다.

2019년 스위스 로잔 Swiss Federal Institute of Technology의 Edoardo Charbon과 동료들은 매우 높은 공간적 시간적 분해능을 가진 새로운 검출기를 개발했다. 이 검출기는 1초에 최대 24,000 프레임을 캡처할 수 있는 메가픽셀(megapixel) 카메라였고, 해당 연구팀이 작년에 보고한 것처럼,3) 수십 피코초의 정확도로 작동시킬 수 있었다.

그들의 새로운 실험에서 Charbon과 동료들은 여러 개의 거울이 놓이고 안개가 가득 채워진 경로를 따라 광 펄스를 보냈다. 연구팀의 카메라는 연속적인 각 펄스에 대해 서로 다른 지연 시간으로 단일 사진을 촬영하며 동영상을 기록했다. 따라서 각 사진은 서로 다른 장소에 있는 펄스에서 안개에 의해 산란된 빛을 기록했다. “이것은 마치 많은 전령(messenger)을 보내고 그들 중 일부가 돌아와 당신에게 보고하는 것과 같다.”라고 Charbon은 말한다. “그리고 그들은 당신에게 ‘난 저만큼 갔어요.’라 말한다.”

데이터를 처리하기 위해 연구자들은 우선 (인간의 개입 없이) 관측된 빛의 섬광들을 펄스 경로의 직선 부분으로 분리할 수 있는 기계학습 기법을 사용했다(이는 다른 방법들을 사용할 경우에는 놀라울 정도로 도전적인 임무다). 다음으로 그들은 겉보기 속도 효과를 설명할 수 있는 이론으로 데이터를 곡선맞춤(fitting)함으로써 펄스의 시공간상의 완벽한 궤적을 재구축할 수 있었다.

New Hampshire의 Dartmouth College에 있는 이미지 센서 전문가인 Eric Fossum은 이 실험이 연구팀의 메가픽셀, 고속 카메라의 능력을 인상적으로 보여주고 있다고 말한다. 연구자들은 그들의 시스템이 잠재적으로 의학 영상법 내 비침습적인 3차원 모니터링이나 직접 보이지 않는 코너 저편을 효과적으로 돌아 “볼” 수 있는 기술에 사용될 수 있을 것이라 말한다. Cahrbon은 이 기술이 여러 표면들에서 반사되는 광자들의 3차원 궤적을 계산함으로써 가령 도로를 향해 뛰어들려는 시야 밖 어린이의 존재를 운전자에게 경고해 줄 수도 있을 것이라고 말한다.

*재구축된 광 펄스 궤적 비디오는 다음 링크에서 시청할 수 있다:https://physics.aps.org/articles/v14/4 

고조화파를 통해 위상 부도체 조사하기
Synopsis: Investigating Topological Insulators with High Harmonics

지난 십 년간 연구자들은 위상 부도체(표면은 전도성이나 내부는 부도체인 이상한 물질들)의 특이한 성질들을 이해하기 위해 다양한 기법들을 시도해 왔다. 최근의 접근 방식에는 고조화파 생성(high harmonics generation, HHG)이라 불리는 광학적 기법이 포함된다. 최근 California의 SLAC National Accelerator Laboratory의 연구자들은 위상 절연체인 bismuth selenide 내부에서 HHG 과정을 모델링하면서 물질의 표면과 내부가 선형 및 원형 편광된 빛에 대해 다르게 행동해야 한다고 예측했다.4) 이 연구는 위상 절연체와 그들의 이상한 거동을 조사할 수 있는 새로운 방법을 제공한다.

HHG 기법에선 강한 레이저 펄스가 매질과 상호작용하며 고조화파(입사되는 레이저 진동수의 배수의 진동수를 가지는 빛)를 생성한다. Bismuth selenide에서 표면과 내부는 각각 뚜렷한 특징을 지닌 고조화파를 만든다. 연구자들은 일반적으로 위상 절연체에 의해 생성되는 고조화파를 결정하는 요소들을 구별하기 위해 이 차이를 이용했다.

고조화파는 등방적 매질 및 대부분의 일반적인 물질 속에서 원형 편광이 아닌 선형 편광된 빛에 의해 생성된다. 연구자들은 bismuth selenide의 내부는 이 규칙을 따른다는 것을 발견했다. 그러나 그들은 또한 원형 편광된 레이저 빔이 입사될 경우에 물질의 표면이 조화파를 효과적으로 형성한다는 것도 발견했다. 연구자들은 이 놀라운 행동이 아마도 위상 절연체의 표면에 있는 전자들이 원형 편광된 빛에 의해 원형으로 운동함에 기인할 것이라 말한다. 그와 같은 상호작용에 대한 추가적인 연구는 이 물질들의 표면 전자의 특이한 성질들에 대한 심화된 이해를 가져올 것이다. 이 연구들은 심지어 연구자들이 적절한 전기장의 빛을 가함으로써 “일반적인” 물질들 속에서도 위상 성질들을 여기할 방법을 찾게 할 수도 있다.

우주선에서 철 원자 추적하기
Synopsis: Ironing Out Cosmic Rays

지구를 끊임없이 때리는 우주선은 대부분 양성자와 헬륨 원자핵으로 구성되어 있다. 그러나 그들은 또한 더 무거운 원소들의 이온을 포함하기도 한다. 서로 다른 우주선 입자들의 에너지 스펙트럼을 비교함으로써 연구자들은 초신성 내부에서 이 입자들을 만들고 가속시키는 과정 및 이들이 진행해 나가는 성간 매질에 대한 정보를 수집하기를 희망한다. 최근 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 공동연구팀은 아직 정확히 특성화되지 않은 가장 무거운 원소인 철의 스펙트럼을 백분율 수준 정도의 정밀도로 측정했다.5)

철의 측정은 우주선의 “무거운 쪽”의 특성을 파악하기 위한 목적으로 수행되는 일련의 실험의 정점이다. 정확한 스펙트럼을 얻는 것은 원자 번호가 커질수록 점점 더 까다로워진다. 왜냐하면 무거운 원소는 우주에서, 그리고 우주선 속에서 훨씬 더 희소하기 때문이다. 2020년 AMS 공동연구팀은 원자 번호가 14번인 실리콘까지 스펙트럼을 측정했다.6) 이 스펙트럼들은 헬륨, 탄소, 그리고 산소와 같은 더 가벼운 원소들에 대해 측정된 스펙트럼들과 비교해 미묘하지만 아직 설명되지 않은 차이들을 포함했다.

AMS 공동연구팀을 이끄는 Massachusetts Institute of Technology의 물리학자 Samuel Ting은 실리콘 다음으로 가장 풍부한 (원자 번호가 26인) 철에 대한 측정으로 인해 연구팀이 앞으로 몇 년 동안 만나지 못할 원자 번호의 최전선에 도달했다고 말한다. 얻은 스펙트럼들은 더 무거운 원소들보다는 오히려 더 가벼운 원소들의 데이터와 닮아 있어 또 다른 퍼즐을 제공한다. Ting은 AMS에 의해 수집된 고정밀의 원소별 스펙트럼 전체에 대한 이해를 위해 현재 우주선 모델링에 있어 커다란 도약이 필요하다고 말한다.