의학에서의 펨토초 레이저 응용

A 펨토초 레이저1조분의 1초 정도의 초단시간 동안 빛을 방출하는 '초단펄스광' 발생장치이다. Fei는 International System of Units의 접두사 femto의 약어이며 1펨토초=1×10^-15초입니다. 소위 펄스광은 순간적으로만 빛을 발산합니다. 카메라 플래시의 발광 시간은 약 1마이크로초이므로 펨토초 초단펄스 빛의 발광 시간은 약 10억분의 1에 불과합니다. 우리 모두 알고 있듯이, 빛의 속도는 초당 300000킬로미터(1초에 지구를 7.5바퀴 회전)라는 비교할 수 없는 속도로 날아갑니다. 그러나 1펨토초 동안 빛은 0.3미크론만 전진합니다.

일반적으로 우리는 움직이는 물체의 순간적인 상태를 포착하기 위해 플래시 사진을 사용합니다. 마찬가지로 펨토초 레이저를 이용해 섬광을 가하면 엄청난 속도로 일어나는 화학반응의 모든 단편을 볼 수 있다. 이를 위해 펨토초 레이저를 사용하여 화학 반응의 신비를 연구할 수 있습니다.

일반적인 화학 반응은 소위 '활성화 상태'라고 불리는 높은 에너지를 갖는 중간 상태를 거친 후 진행됩니다. 활성화 상태의 존재는 이미 1889년 화학자 아레니우스(Arrhenius)에 의해 이론적으로 예측되었으나, 매우 짧은 순간 동안 존재했기 때문에 직접적으로 관찰할 수는 없었다. 그러나 그 존재는 1980년대 후반 펨토초 레이저에 의해 직접적으로 입증되었으며, 이는 펨토초 레이저를 사용하여 화학 반응을 정확히 찾아내는 예입니다. 예를 들어, 사이클로펜타논 분자는 활성화된 상태에서 일산화탄소와 2개의 에틸렌 분자로 분해됩니다.

요즘에는 물리학, 화학, 생명과학, 의학, 공학 등 다양한 분야에서도 펨토초 레이저가 활용되고 있습니다. 특히 빛과 전자공학의 결합은 통신, 컴퓨터, 에너지 분야에서 다양한 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 빛의 강도는 많은 양의 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 거의 손실 없이 전송할 수 있어 광통신을 더욱 빠르게 만들 수 있기 때문입니다. 핵물리학 분야에서 펨토초 레이저는 큰 영향을 미쳤습니다. 펄스광은 매우 강한 전기장을 갖고 있기 때문에 1펨토초 이내에 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킬 수 있어 전자를 가속시키는 '가속기'로 활용될 수 있다.

의학에서의 응용
위에서 언급했듯이 펨토초 내의 세계에서는 빛조차도 얼어붙어 멀리 이동할 수 없지만, 이 시간 규모에서도 물질 속의 원자와 분자, 컴퓨터 칩 내부의 전자는 여전히 회로 내에서 움직이고 있습니다. 펨토초 펄스를 사용하면 즉시 중지하고 무슨 일이 일어나는지 연구할 수 있습니다. 시간을 멈추기 위해 깜박이는 것 외에도 펨토초 레이저는 200나노미터(1만분의 2밀리미터)만큼 작은 직경의 금속에 미세 구멍을 뚫을 수도 있습니다. 이는 짧은 시간 안에 압축되어 내부에 갇히게 되는 초단펄스 빛이 주변에 추가적인 피해를 주지 않으면서 초고출력이라는 놀라운 효과를 얻는다는 것을 의미합니다. 또한 펨토초 레이저의 펄스광은 물체의 3차원 이미지를 매우 세밀하게 캡처할 수 있습니다. 입체영상 사진은 의료 진단에 매우 유용하여 광간섭 단층 촬영이라는 새로운 연구 분야를 개척했습니다. 펨토초 레이저를 사용해 촬영한 살아있는 조직과 살아있는 세포의 3차원 이미지입니다. 예를 들어, 매우 짧은 빛의 펄스가 피부에 전달됩니다. 펄스광은 피부 표면에서 반사되고, 펄스광의 일부가 피부 속으로 방출됩니다. 피부 내부는 여러 층으로 구성되어 있습니다. 피부에 입사한 펄스광은 작은 펄스광으로 반사되어 되돌아옵니다. 반사광에 포함된 다양한 펄스광의 에코를 통해 피부 내부 구조를 알 수 있습니다.

또한 이 기술은 눈 속 깊은 곳의 망막을 3차원 영상으로 포착할 수 있어 안과의학 분야에서도 실용성이 매우 높다. 이를 통해 의사는 조직의 문제를 진단할 수 있습니다. 이런 종류의 검사는 눈에만 국한되지 않습니다. 광섬유를 이용해 레이저를 체내에 쏘면 체내 여러 장기의 모든 조직을 검사할 수 있다. 미래에는 암으로 변했는지 여부까지 검출하는 것이 가능할 수도 있다.

초정밀 시계 구현
과학자들은 가시광선을 이용해 펨토초 레이저 시계를 만들면 원자시계보다 더 정확하게 시간을 측정할 수 있고, 앞으로 몇 년 안에 세계에서 가장 정확한 시계가 될 것이라고 믿고 있다. 시계가 정확하면 자동차 내비게이션에 사용되는 GPS(Global Positioning System)의 정확도도 크게 향상됩니다.

가시광선이 왜 정확한 시계를 만들 수 있나요? 모든 시계는 진자와 기어의 움직임에 없어서는 안 될 요소입니다. 정확한 진동 주파수로 진자의 스윙을 통해 기어가 몇 초 동안 회전하며 정확한 시계도 예외는 아닙니다. 따라서 보다 정확한 시계를 만들기 위해서는 진동주파수가 더 높은 진자를 사용할 필요가 있다. 석영 시계(진자 대신 수정 진동을 사용하는 시계)는 석영 공진기가 초당 더 많은 횟수를 진동하기 때문에 진자 시계보다 더 정확합니다.

현재 표준시로 사용되고 있는 세슘 원자시계의 진동수는 약 9.2기가헤르츠(국제 단위 기가헤르츠의 접두사, 1기가헤르츠= 10^9)이다. 원자시계는 세슘 원자의 자연 진동 주파수를 사용하고 진동 주파수가 일정한 마이크로파로 진자를 대체합니다. 그 정확도는 수천만년에 단 1초에 불과합니다. 대조적으로, 가시광선의 진동 주파수는 마이크로파 진동 주파수보다 100,000 ~ 1,000,000배 더 높습니다. 즉, 가시광선 에너지를 이용해 원자시계보다 수백만 배 더 정확한 정밀시계를 만들 수 있다는 것이다. 가시광선을 사용하는 세계에서 가장 정확한 시계가 이제 실험실에서 성공적으로 제작되었습니다.

아인슈타인의 상대성 이론은 이 정확한 시계의 도움으로 검증될 수 있습니다. 우리는 그러한 정확한 시계 중 하나를 실험실에, 다른 하나를 아래층 사무실에 배치하고 가능한 상황을 고려했습니다. 한두 시간이 지나자 아인슈타인의 상대성이론이 예측한 대로 결과가 나왔다. 두 가지로 인해 바닥 사이에 서로 다른 "중력장"이 있으므로 두 시계는 더 이상 같은 시간을 가리키지 않으며 아래층 시계는 위층 시계보다 느리게 작동합니다. 좀 더 정확한 시계가 사용된다면 손목과 발목에 차고 있는 시계도 그날의 시간을 다르게 알려줄 수도 있을 것입니다. 우리는 정확한 시계의 도움으로 상대성 이론의 매력을 경험할 수 있습니다.

빛의 속도를 늦추는 기술
1999년 미국 허바드 대학의 라이너 하우(Rainer Howe) 교수는 빛을 자동차가 따라잡을 수 있는 속도인 초당 17미터로 늦추는 데 성공했고, 이어 자전거도 따라잡을 수 있는 속도로 빛을 줄이는 데 성공했습니다. 이 실험에는 물리학의 가장 최첨단 연구가 포함됩니다. 이 글에서는 실험의 성공을 위한 두 가지 열쇠만 소개합니다. 하나는 절대 영도(-273.15도)에 가까운 극도로 낮은 온도의 나트륨 원자로 구성된 "구름", 즉 보스-아인슈타인 응축물이라고 불리는 특수 기체 상태를 만드는 것입니다. 다른 하나는 진동 주파수를 조정하는 레이저(제어 레이저)이며, 이를 사용하여 나트륨 원자 구름을 비추면 놀라운 일이 일어납니다.

과학자들은 먼저 제어 레이저를 사용하여 원자 구름의 펄스 광을 압축하고 속도를 극도로 늦춥니다. 그런 다음 제어 레이저를 끄고 펄스 광이 사라집니다. 펄스 빛에 전달되는 정보는 원자 구름에 저장됩니다. . 그런 다음 제어된 레이저를 조사하면 펄스 광이 복원되어 원자 구름 밖으로 나옵니다. 결과적으로 원래 압축된 펄스가 다시 넓어지고 속도가 복원됩니다. 펄스광 정보를 원자구름에 입력하는 전체 과정은 컴퓨터에서 읽고, 저장하고, 재설정하는 것과 매우 유사합니다. 따라서 이 기술은 양자컴퓨터 구현에 도움을 줄 수 있다.

'펨토초'의 세계에서 '아토초'로

펨토초는 우리의 상상을 초월합니다. 이제 우리는 펨토초보다 짧은 아토초의 세계로 모험을 떠나고 있습니다. 아(Ah)는 국제단위계(International System of Units)의 접두사 "atto"의 약어입니다. 1아토초=1×10^-18초=1/1000펨토초. 아토초 펄스는 가시광선으로는 만들 수 없습니다. 펄스를 짧게 하려면 더 짧은 파장의 빛을 사용해야 하기 때문입니다. 예를 들어, 적색 가시광선을 이용해 펄스를 생성하려는 경우 해당 파장보다 짧은 펄스를 생성하는 것은 불가능합니다. 가시광선의 한계는 약 2펨토초이므로 아토초 펄스는 더 짧은 파장의 X선이나 감마선을 사용합니다. 아토초 X선 펄스를 사용하여 미래에 무엇을 발견할지는 확실하지 않습니다. 예를 들어, 생체분자를 시각화하기 위해 아토초 플래시를 사용하면 매우 짧은 시간에 생체분자의 활동을 관찰하고 생체분자의 구조를 식별할 수 있습니다.

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