Fig. 1. Feynman diagrams for strong-field QED phenomena. (a) Nonlinear Compton scattering, (b) Breit-Wheeler electron-positron pair production, (c) QED cascades.

비선형 양자전기역학적 현상이 일어날 수 있는 조건을 정하기 위해 입자의 고유계에서 본 전기장 세기 \(\small E\)와 슈윙거 한계 \(\small E_c\)의 비율(ratio)을 양자 비선형 파라미터(quantum nonlinearity parameter) \(\small \chi_e = E/E_c\)로 정의하여 사용한다. 전자기장의 세기가 슈윙거 한계 정도가 되면(\(\small \chi_e \sim 1\)), 비선형 양자전기역학적 현상이 효율적으로 일어나서 실험에서 관측할 수 있게 된다. 예를 들어, 강력한 전자기장과 고에너지 입자(고속 전자, 고에너지 광자)와 충돌하는 경우를 생각하면, 전자기장 광자 다수가 고속 전자와 충돌하여 하나의 고에너지 광자가 발생하거나(비선형 콤프턴 산란, 그림 1(a)), 전자기장 광자 다수가 고에너지 광자와 충돌하여 전자-양전자 쌍이 발생할 수 있다(비선형 브라이트-휠러 쌍생성, 그림 1(b)).

더 나아가 전기장의 세기가 슈윙거 한계의 10배 이상이 되는 영역(\(\small \chi_e >10\))이 되면, 비선형 콤프턴 산란과 비선형 브라이트-훨러 쌍생성이 연이어 일어나 엄청난 양의 전자와 양전자가 생성되어 양자전기역학적 플라즈마(QED 플라즈마, 그림 1(c) 참조)가 만들어질 수 있다.2) QED 플라즈마는 지구상에서는 관측된 바가 없지만, 극한의 환경이 존재하는 중성자별 또는 블랙홀의 주변에서는 존재할 것으로 예측된다. 이러한 극한의 영역에서 일어나는 물리현상을 실험실에서 구현하고 이에 대한 이론적 설명을 찾기 위해 기초과학연구원(IBS)의 상대론적 레이저과학 연구단이 출범하게 되었다.

초강력 레이저의 발전과 한계

극한의 물리 현상 연구를 위해서는 초강력 레이저가 필수적이다. 1960년 테오도르 마이만에 의해 레이저가 처음으로 발진된 이후, 레이저 세기를 증가시킬 수 있는 기술들이 크게 발전되었다. 큐 스위칭, 모드잠금 기술 등이 연이어 개발되면서 레이저 펄스의 세기가 점차 증가하게 되었다. 레이저 세기 증가의 패러다임을 바꾼 것은 1985년 제러드 모로우와 도나 스트릭랜드에 의해 발표된 처프 펄스 증폭 기술이었다.3) 처프 펄스 증폭 기술의 개발로 레이저 시스템의 손상없이 레이저 빔을 증폭할 수 있게 되면서 레이저 세기가 비약적으로 증가하게 되었다.

Fig. 2. Laser intensity and physical processes.

현재 세계에서 가장 높은 세기를 만들어 낼 수 있는 레이저는 기초과학연구원의 상대론적 레이저과학 연구단(광주과학기술원 캠퍼스에 위치)이 보유하고 있는 4 페타와트(1 PW \(=\) 10¹⁵ W) 레이저이다. 이 레이저는 펄스당 100 J의 에너지를 25 fs(1 fs \(=\) 10^‒15초)의 펄스폭 동안에 수 마이크로미터(1 µm \(=\) 10^‒6 m) 크기의 영역에 집속하여 매우 높은 세기를 얻을 수 있다. 2021년 이러한 노력으로 1\(\times\)10²³ W/cm²의 세기를 넘어서는 빛을 만들어낼 수 있었다(그림 2 참조).4)

그림 2에 언급한 것과 같이, 레이저의 세기에 따라 여러 가지 물리현상을 연구할 수 있다. 원자에 묶여 있는 전자를 떼어내기 위한 세기가 10¹⁵ W/cm²이며, 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속하기 위한 세기가 10¹⁸ W/cm²임을 감안하면, 상대론적 레이저과학 연구단의 4 PW 레이저가 엄청난 세기를 만들어 낼 수 있음에는 분명하다. 그러나, 슈윙거 한계에 해당하는 세기 \(\small I_c =\) 2\(\times\)10²⁹ W/cm²보다는 아직도 백만 배 정도 약하다. 단순히 레이저의 세기를 향상시키는 방법으로는 슈윙거 한계에 이르기에 무리가 있음을 알 수 있다.

레이저의 세기를 증가시키기 위해 시공간에서 더욱 집속하는 방법에 대해 고려해 볼 수 있다. 레이저 펄스의 세기는 펄스가 가지는 에너지를 공간과 시간으로 나눔으로서 결정되기 때문이다. 그러나, 레이저의 시공간 집속에는 회절한계라는 이론적 한계가 존재한다. 즉, 레이저 펄스폭이 파장에 해당하는 시간보다는 짧아질 수 없으며, 레이저 빔을 파장 크기보다 작게 집속할 수도 없다. 따라서, 레이저 장을 공간에 최대로 집속할 수 있는 부피는 파장의 세제곱(\(\small \lambda^3\)) 정도가 한계이다. 레이저 빔의 시공간 집속의 기술적인 문제를 제쳐두고 현재의 상대론적 레이저과학 연구단이 보유하고 있는 4 PW 레이저 빔을 \(\small \lambda^3\)에 집속한다고 하더라도 이론적 한계 세기는 10²⁶ W/cm² 정도이다. 따라서, 레이저 기술만으로는 슈윙거 한계를 넘어서기 어렵기 때문에 새로운 접근 방법이 필요하다.

상대론적 고차조화파 발생을 이용한 시공간 집속

레이저 빔의 시공간 집속의 회절한계는 파장의 길이로 결정된다. 따라서, 파장을 짧게 만들면 그만큼 더 작은 공간에 에너지를 집중할 수 있어 세기 증가가 가능하다. 레이저 빔의 파장 변환을 위해 플라즈마 거울을 사용할 수 있다. 플라즈마 거울이란, 레이저 빔이 반사될 수 있는 평평한 면에 생성된 고밀도 플라즈마를 말한다. 고밀도 플라즈마에서 생성되는 레이저 빔은 상대론적 고차조화파를 만들어 낼 수 있다.5)

Fig. 3. Schematic diagram for relativistic high harmonic emission generated from the surface of an over-dense plasma mirror.

일반적으로 플라즈마 거울을 이용해 상대론적 고차조화파를 생성하기 위해 두 개의 레이저 빔을 이용한다. 첫 번째 레이저 빔을 고밀도 타겟에 집속하여 플라즈마를 형성하고, 두 번째 더 높은 세기를 가지는 레이저 빔을 플라즈마 면에 입사시킨다. 고밀도 플라즈마 내부의 전자들이 입사된 레이저 장에 의해 빛의 속도에 가깝게 가속되어 주기적으로 움직이게 된다(그림 3 참조). 움직이는 플라즈마 면에서 레이저 빔이 반사되기 때문에, 도플러 효과로 인해 레이저 장의 진폭과 위상이 크게 변화하게 된다. 이때 주기적으로 위상 변조가 일어나 새로운 높은 주파수 성분으로 나타난다. 시간에 따라 이러한 현상이 주기적으로 나타나기 때문에 스펙트럼은 조화파의 형태를 나타낸다. 따라서, 이렇게 생성된 새로운 빛을 상대론적 고차조화파라 부른다.

플라즈마 거울에서 반사되어 생성되는 상대론적 고차조화파는 시간과 공간 모두에서 압축될 수 있다.6) 상대론적 고차조화파의 광자 에너지는 입사되는 레이저 세기에 따라 수 keV까지도 생성될 수 있고, 펄스폭은 수 아토초‒수백 아토초(1아토초\(=\)10^‒18초)에 불과하다. 또한, 강력한 레이저 빔의 광압으로 인해 플라즈마 휘어짐 효과가 나타나 플라즈마 면에서 더욱 집속되는 효과가 있다. 특히, 상대론적 고차조화파의 파장은 입사되는 레이저 펄스의 파장의 수십‒수백 분의 일 정도로 매우 짧아서 더욱 작은 공간에 집속될 수 있다. 따라서, 더욱 높은 세기의 전자기장을 얻을 수 있는 방법이 된다.

플라즈마 거울을 이용한 상대론적 고차조화파 생성과정에서의 손실되는 변환 효율(대략 50‒70%)을 고려하더라도 전자기장의 세기는 크게 증폭될 수 있다. 이론적으로는 수천 배의 전기장 세기 증가가 가능하며, 상대론적 레이저과학 연구단이 보유한 레이저를 이용하면 슈윙거 한계에 가까워질 수 있다고 예측되었다.7) 그럼에도 불구하고, 상대론적 고차조화파를 이용한 레이저 세기 증가에 대한 실험적 검증은 높은 실험 난이도로 인해 아직 구현되지 못하고 있다. 상대론적 레이저과학 연구단은 강력한 고차조화파 아토초 펄스 발생에 의한 세기 증가를 실험적으로 검증하기 위해 노력하고 있다. 초강력 아토초 펄스의 생성으로 양자전기역학 연구의 새로운 돌파구가 되기를 기대한다.

전자가속에 의한 상대론적 세기 증가

레이저 장의 세기는 관찰자의 운동상태에 따라 다르다. 특히, 빛의 속도 \(\small c\)와 가까운 속도 \(\small v\)를 가지는 입자의 고유 좌표계에서는 상대론적인 효과를 고려해야 한다. 입자가 광자와 정면충돌하는 경우에 상대론적인 효과를 고려하면 레이저 장의 세기는 \(\small 2\gamma\)배 증가하게 된다(\(\small \gamma = 1/ \sqrt{1-v^{2} /c ^{2}}\)). 이러한 상대적인 효과를 고려하면 (전자의 입장에서) 전자기장의 세기가 크게 증가하여 양자전기역학 현상의 발생 및 관측을 위해 가속된 전자를 이용하는 방법이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 2024년 컴프턴 산란 실험에 성공하여 양자 비선형 파라미터가 \(\small \chi_e = 0.46\)인 영역에서 컴프턴 산란 실험이 수행되었다.8)

강력한 레이저를 이용하여 전자를 가속하기 위해 레이저 빔과 저밀도 가스 타겟의 상호작용으로 나타나는 레이저 항적장 가속(laser wake field acceleration) 방법이 주로 사용된다. 레이저 빔을 이용해 플라즈마를 생성함과 동시에 생성된 전자들이 레이저 바깥쪽으로 밀려나면서 버블이라 불리는 전자의 공동이 생성된다. 생성된 버블이 레이저를 따라 이동할 때, 일부 전자들이 버블 안에 갇혀 가속되는 원리를 이용한다. 이러한 방식으로 PW급 레이저를 이용하여 대략 1 cm당 GeV 수준의 전자를 가속할 수 있다. 현재 상대론적 레이저과학 연구단에서는 안정적으로 수 GeV 수준의 전자를 만들어 낼 수 있다.

전자를 효과적으로 가속하기 위해 긴 가속거리를 가지는 실험 장치를 필요로 한다. 그러나 집속된 레이저 빔은 항상 퍼지려는 성질 때문에, 특별한 레이저 기술이 필요하다. 더 긴 가속거리를 얻기 위해 플라즈마 채널을 이용할 수 있다. 선행 레이저 펄스를 이용하여 플라즈마 채널을 생성하고 이 채널을 주 레이저 펄스를 진행시켜 더욱 가속거리를 늘릴 수 있다. 따라서, 더욱 효과적으로 전자를 가속할 수 있다. 상대론적 레이저과학 연구단에서는 플라즈마 채널을 이용한 전자 가속을 이용해 10 GeV 수준 또는 그 이상 에너지를 얻기 위한 노력을 지속하고 있다.

비선형 양자전기역학 현상 관측

높은 에너지의 입자를 강한 전자기장과 충돌시켜 비선형 양자전기역학 현상이 일어나도록 할 수 있다. 그림 1과 같이 비선형 컴프턴 산란, 양자 복사 반작용, 비선형 브라이트-휠러 쌍생성 등의 비선형 양자전기역학적 현상이 효과적으로 일어나게 될 것이다. 상대론적 레이저과학 연구단의 연구 방향은 초강력 레이저를 이용하여 이러한 비선형 양자전기역학적 현상들이 일어나는 환경을 구성하고, 제어하며, 이해하는 것이다.

더 나아가 \(\small \chi_e > 10\)이 넘어가는 영역에서는 QED 플라즈마가 생성될 수 있다. 이러한 QED 플라즈마의 생성에 대한 실험적 검증은 아직 수행된 바가 없어 아직 미지의 영역으로 남아있다. QED 플라즈마는 극한 환경이 나타나는 천체 주변에서 예측되고 있다. 따라서, 이러한 극한 환경에 대한 실험적 검증을 통해 양자전기역학 및 극한환경의 물리현상에 대한 이해를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

맺음말

상대론적 레이저과학 연구단에서는 초강력 레이저를 이용한 상대론적인 영역에서 레이저 플라즈마 상호작용 연구를 수행한다. 구체적으로는 초강력 아토초 펄스의 구현, 안정적인 고에너지 입자 가속, 이들을 이용한 고에너지 전자와 초강력 레이저장의 충돌 등의 실험을 구현하고자 한다. 이를 통해 극한의 물리환경에서 일어나는 새로운 물리현상을 발견하고 이에 대한 물리적 설명을 찾고자 한다. 현대 과학이 극한의 환경을 구현하고 거기서 일어나는 물리 현상을 이해하는 과정을 통해 발전해 왔다는 것을 상기하면, 이러한 노력을 통해 현대 과학이 한 단계 더 진보하는 계기가 될 수 있음을 어렵지 않게 짐작할 수 있다.

최근 인공지능을 비롯한 여러 과학 분야에서 눈부신 발전이 이루어지고 있다. 그러나, 극한의 물리현상을 다루는 비선형 양자전기역학적 현상에 대한 연구는 매우 느리게 발전되고 있다. PW급의 고출력 레이저와 같은 대규모 실험 시설이 필요한 데다가 난이도가 높은 레이저 플라즈마 실험의 복잡성 때문이다. 상대론적 레이저과학 연구단의 부단한 노력으로 극한의 물리환경에서 일어나는 새로운 물리현상을 실험으로 구현하고 이에 해석을 제공함으로써 인류의 지식의 한계가 확장되기를 바란다.