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[표지로 읽는 과학] 극저온 구동 ‘마이크로파 레이저’ 상온서도 활용 가능해져

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2018년 03월 25일 12:00 프린트하기

네이처 제공
네이처 제공

이번 주 ‘네이처’ 표지에는 새롭게 개선된 메이저(maser, microwave amplification by stimulated emission of radiation)의 모습이 실렸다. 레이저의 원조 격인 메이저는 마이크로파 영역의 전자기파를 발진·증폭하는 장치다. 레이저는 마이크로파를 빛으로 바꾼 장치라고 할 수 있다. 다양하게 활용되고 있는 레이저와 달리 메이저는 영하 270도 수준의 극저온, 진공 환경에서만  구동할 수 있고 연속 사용이 불가능한 탓에 그동안 활용에 제약이 따랐다.
 
이런 가운데 조나단 브리즈 영국 임페리얼컬리지런던 교수팀은 중국 홍콩대 등과 함께 상온에서 연속적으로 마이크로파를 방출할 수 있는 신개념 메이저를 개발했다고 ‘네이처’ 21일자에 발표했다. 다이아몬드를 활용해 기존 메이저의 한계를 극복한 것이다.
 
메이저가 처음 발명된 건 1954년이다. 메이저는 원자 속에 있는 속박 전자의 에너지 상태를 들뜨게 한 뒤 전자기장을 가해 전자기파를 유도, 방출시킨다. 메이저를 활용하면 정교한 단파장 라디오파 수신기를 만들 수 있다. 메이저 개발에 기여한 찰스 타운스, 니콜라이 바소프, 알렉산드르 프로호로프는 1964년 노벨 물리학상을 수상하기도 했다. 그러나 메이저는 전파천문학 분야 연구와 심(深)우주 통신 등 제한된 분야에만 활용돼 왔다.

 

최근 들어서는 유기분자 결정을 이용해 상온에서 구동하는 메이저가 개발되기 시작했다. 하지만 대부분 한 번의 펄스만 생성할 수 있는 수준에 불과했다. 기존보다 열적 특성이나 기계적 특성이 불안정해졌기 때문이다.

 

연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 유기 소재보다 안정적인 무기 소재인 다이아몬드 결정을 활용해 메이저를 만들었다. 구리로 이뤄진 원통형 공동(cavity) 안에 밀리미터(㎜) 단위의 작은 다이아몬드 결정을 가둔 형태다. 다이아몬드 결정 속에는 ‘질소-결손 중심’ 여러 개를 추가했다. 이 중심은 탄소 원자 하나를 질소 원자로 대체한 것으로 2개의 홀전자를 갖는다. 두 전자의 방향에 따라 -1과 0(서로 다른 방향), +1 등 3가지 스핀 상태가 가능하다. 

 

연구진은 다이아몬드에 강한 자기장을 가해 질소-결손 중심이 에너지가 가장 낮은 -1 상태가 되도록 만든 뒤, 레이저를 가해 이를 다시 0 상태까지 높였다. 이렇게 에너지가 높아져 불안정해진 전자들이 다시 -1 상태로 돌아가면서 마이크로파를 방출하는 원리다.

 

다이아몬드 메이저는 상온에서 연속적인 마이크로파를 발생시킬 수 있는 만큼 향후 자기공명영상은 물론이고 보안 통신, 정밀 측정, 양자 기술 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

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