1928년 디랙 방정식이 발표된 이래로 거의 100년의 시간이 흘렀다. 디랙 방정식을 기반으로 발전한 양자전기역학(QED)도 그간 비약적인 발전을 이루었지만, 비선형성이 두드러지게 나타나는 강력장 양자전기역학 현상은 아직도 많은 부분이 미지의 영역으로 남아 있다. 최근 레이저 기술과 입자 가속 기술이 발전되면서 일부 강력장 양자전기역학 현상이 실험적으로 관측 가능하게 되었으나, 더욱 극한의 환경에서 일어나는 현상들에 대해서는 여전히 많은 연구가 필요하다.

강력한 레이저장을 필요로 하는 강력장 양자전기역학 연구는 필연적으로 거대 레이저 시설을 필요로 한다. 이러한 이유로 세계 각국은 페타와트 수준의 레이저 시설을 개발하고 있다. 유럽연합의 ELI 프로젝트의 10 PW 레이저, 중국 상하이 SULF 프로젝트의 10 PW 레이저, 프랑스의 Apollon 프로젝트의 10 PW 레이저, 미국의 로체스터 대학 OPAL 프로젝트의 25 PW 레이저 건설 등이 연이어 시작되고 있다. 이러한 세계 각국의 노력들로 인해 관련 연구에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다.

국내의 PW급 레이저 분야 연구는 선도적인 역할을 수행해 왔다. 이미 2009년에 시작된 ‘극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업’ (사업단장 이종민 교수) 을 통해 광주과학기술원에 500 TW 수준의 레이저가 건설되었고, 그 후 기초과학 연구원의 ‘초강력 레이저과학 연구단’(연구단장 남창희 교수)이 바통을 이어받아 4 PW 급의 레이저로 발전시켰다. 이 레이저를 이용하여 세계 최고의 레이저 세기를 만들어내었으며, 강력장 양자전기역학 현상 중 하나인 비선형 컴프톤 산란 효과 관측에 성공하는 등의 성과를 이루어 냈다. 2025년 새롭게 출범한 기초과학연구원의 ‘상대론적 레이저과학 연구단’ (연구단장 김경택 교수)은 강력한 아토초 펄스 발생과 안정적인 상대론적 전자빔의 충돌을 통해 극한의 영역에서 강력장 양자전기역학 연구를 수행하고자 한다. 이를 통해 아직 실험적으로 관측되지 않은 양자전기역학적 플라즈마 등을 관측하기 위한 연구를 수행할 계획이다. 이러한 국내 연구자들의 노력들이 파급효과가 큰 연구 성과로 맺어지기를 바란다.

이 특집호에서는 4편의 기고문을 통해 강력장 양자전기 역학 연구와 관련된 연구분야에 대한 소개글을 실었다. 상대론적 레이저과학 연구단의 김경택 연구 단장은 강력장 양자전기역학 연구 방향에 대한 소개를 했고, 같은 연구단에 참여하고 있는 광주과학기술원 고등광기술연구소 성재희, 윤진우 박사는 초강력 레이저 개발에 대한 소개, 김형택 박사는 전자 가속 기술에 대한 소개, 그리고 김철민 박사는 양자전기역학 이론에 대한 소개글을 실었다. 짧은 소개글로 강력장 양자전기역학 연구의 모든 부분을 설명할 수는 없으나, 앞으로의 연구방향에 대한 대체적인 설명이 되었기를 바란다. 이곳에 소개된 연구분야에서 국내 연구자들이 큰 성과를 이루기를 기원하며 이 글을 마무리한다.

[객원 책임편집위원 기초과학연구원 상대론적 레이저과학연구단 연구단장 / 광주과학기술원 물리광과학과 교수 김경택 (kyungtaec@gist.ac.kr)]