조병익 교수, 엑스선의 비선형 투과 현상 최초 발견

엑스선의 비선형 투과 현상을 최초로 발견한 조병익 교수

□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 물리·광과학과 조병익 교수 연구팀은 엑스선의 세기가 증가함에 따라 알루미늄의 엑스선 투과도가 비선형적으로 변화하는 현상을 최초로 발견했다.

□  엑스선은 가시광선보다 짧은 파장을 갖는 빛으로, 투과성이 강하여 물체의 내부 구조를 들여다볼 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 가시광 영역에서 강력한 레이저를 이용한 비선형 포토닉스 응용 연구가 활발히 이루어지고 있는 것에 비해 엑스선의 밝기는 상대적으로 매우 약하여 비선형 현상을 활용한 응용이 어렵다고 여겨지고 있었다.

□  연구팀은 최근 개발된 4세대 방사광 가속기인 엑스선 자유전자 레이저 펄스를 1 마이크로미터의 수준으로 집속하여 기존에 비해 최고 100억배 이상의 밝기로 엑스선을 알루미늄에 쪼여주었을 때, 엑스선의 투과율이 기존의 1/4 미만으로 감소하는 현상을 발견하였다.

∘ 이는 빛의 세기를 조절하여 물질의 엑스선 투과도 또는 흡수도를 조절할 수 있음을 의미한다. 또한 충돌-방사 모델을 이용한 전산모사와의 비교를 통해 이와 같은 현상이 기존의 엑스선 과학에서는 발생시키기 어렵다고 알려진 비선형 현상의 일종인 역포화흡수임을 밝혀내었다.

□   이번 연구는 4세대 방사광 가속기에서 발생하는 엑스선을 기존보다 최고 100억배 이상의 밝기로 알루미늄에 쪼여주었을 때, 엑스선의 투과량이 비선형적으로 감소하는 ‘역포화흡수(Reverse Saturable Absorption)’ 현상이 발생할 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 비선형 엑스선 기술을 활용한 엑스선 나노 현미경 개발, 초강력 엑스선 레이저 개발 등 엑스선 포토닉스 응용 연구가 가능해 질 것으로 기대된다.

□  조병익 교수는 “이번 결과는 그간 가시광 영역에 머물러 있던 비선형 포토닉스 기술을 엑스선 영역으로 확장시킬 수 있는 가능성을 보여주는 것”이라며 특히 “물질 내부의 특정 나노 구조만을 선택적으로 볼 수 있는 엑스선 공초점 현미경, 엑스선 펄스의 성질을 조정할 수 있는 초고속 광변조기, 초강력 엑스선 레이저의 개발 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”으로 전망했다.

□  조병익 교수 연구팀이 주도하고 영국의 옥스퍼드 대학, 미국 스탠퍼드대학 가속기 센터, 독일은 자유전자레이저센터 등이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업, 선도연구센터사업(SRC) 및 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단(GIST 캠퍼스 연구단)의 지원으로 수행되었다.

□  연구 결과는 물리학 분야 최고 권위의 논문집인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 8월 16일 발표되었다.
(*논문명 : Observation of Reverse Saturable Absorption of an X-ray Laser,

       https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.075002) <끝>