빛이 물건을 밀고 당긴다
트랙터처럼 물건을 움직이는 레이저 빔
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| ▲ 공상과학 영화에서 흔히 볼 수 있는 빛으로 사람을 당기는 장면 ⓒFreeImage |
거대한 우주선이 지면 가까이 다가와 지상에 있는 사람의 머리 위에 잠시 정지한 뒤 이윽고 눈부신 빛을 지상으로 쏘아댄다. 그러면 빛으로 둘러싸인 사람은 천천히 우주선 안으로 빨려 들어간다.
우주인이 등장하는 영화에서 흔히 볼 수 있는 빛으로 사람이나 물체를 끌어 올리는 장면이다. 이런 장면은 공상과학 영화에서나 가능한 이야기인 것처럼 보이지만, 빛으로 물체를 당기거나 밀 수 있는 ‘광학집게(Optical Tweezers)’ 기술은 이미 잘 알려져 있는 사실이다.
광학집게 기술이란 미세 입자에 극도로 집속된 레이저 빔을 산란시키면, 입자에 미치는 방사형 운동량의 변화 때문에 초점 근처에서 입자를 포획하는 힘을 만들어 낼 수 현상을 말한다. 이를 통해 레이저 빔은 한 쌍의 집게처럼 작동할 수 있게 되어 개별적으로 원자나 분자, 그리고 생물학적 세포들을 움직일 수 있다.
광학집게보다 발전된 개념인 트랙터 빔
그런데 최근 체코의 과학자들이 광학집게 기술보다 더 다양한 소재를 다루면서도 더 멀리 옮길 수 있는, 한층 더 발전된 개념인 트랙터 빔(tractor beams) 기술을 개발했다는 소식이 전해져 과학계의 비상한 관심을 모으고 있다.
물리과학 전문 매체인 피직스월드(Physicsworld)는 온라인판을 통해 체코 과학아카데미의 물리학자들로 구성된 연구팀이 두 개의 레이저 빔을 쏠 수 있는 렌즈를 사용하여 초점을 모은 뒤, 이를 다시 안쪽으로 모으는 과정에서 물건을 트랙터처럼 견인할 수 있는 기능을 가진 레이저 빔을 발견했다고 보도했다.
우주인이 등장하는 영화에서 흔히 볼 수 있는 빛으로 사람이나 물체를 끌어 올리는 장면이다. 이런 장면은 공상과학 영화에서나 가능한 이야기인 것처럼 보이지만, 빛으로 물체를 당기거나 밀 수 있는 ‘광학집게(Optical Tweezers)’ 기술은 이미 잘 알려져 있는 사실이다.
광학집게 기술이란 미세 입자에 극도로 집속된 레이저 빔을 산란시키면, 입자에 미치는 방사형 운동량의 변화 때문에 초점 근처에서 입자를 포획하는 힘을 만들어 낼 수 현상을 말한다. 이를 통해 레이저 빔은 한 쌍의 집게처럼 작동할 수 있게 되어 개별적으로 원자나 분자, 그리고 생물학적 세포들을 움직일 수 있다.
광학집게보다 발전된 개념인 트랙터 빔
그런데 최근 체코의 과학자들이 광학집게 기술보다 더 다양한 소재를 다루면서도 더 멀리 옮길 수 있는, 한층 더 발전된 개념인 트랙터 빔(tractor beams) 기술을 개발했다는 소식이 전해져 과학계의 비상한 관심을 모으고 있다.
물리과학 전문 매체인 피직스월드(Physicsworld)는 온라인판을 통해 체코 과학아카데미의 물리학자들로 구성된 연구팀이 두 개의 레이저 빔을 쏠 수 있는 렌즈를 사용하여 초점을 모은 뒤, 이를 다시 안쪽으로 모으는 과정에서 물건을 트랙터처럼 견인할 수 있는 기능을 가진 레이저 빔을 발견했다고 보도했다.
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| ▲ 편광된 빛으로 밀고 당기는 원리 ⓒCzech Academy |
연구팀의 리더인 파벨 제마넥(Pavel Zemánek) 박사에 따르면 “빛의 강도가 일정한(homogeneous) 광선 안에서 입자의 움직임을 실험적으로 보인 것이 이번이 처음은 아니지만, 우리가 개발한 방법은 예전의 방법과 비교해 볼 때 간단하고 직접적”이라고 설명하면서 “레이저 빔으로 입자들을 30μm 정도를 끌어당길 수 있었는데, 보다 강한 레이저를 사용했다면 그보다 더 먼 거리를 끌어당길 수 있었을 것”이라고 말했다.
제마넥 박사가 언급한 예전의 방법에 대해서는 여러 가지 사례가 있지만, 그 중에서도 호주 국립대 연구진이 빛의 파워만으로 소형 입자를 1.5미터 가량 이동시킬 수 있는 디바이스를 구축했다고 발표한 사례가 대표적인 경우로 꼽히고 있다.
호주의 연구진은 과거 수년 동안 레이저를 이용하여 소형 입자를 이동시키는 연구를 진행해 왔다. 그들이 개발한 레이저 빔 광학집게 기술은 기존의 광학집게 기술보다 1백 배 이상인 1m 이상을 움직일 수 있는 것으로 알려졌다. 기존의 광학집게로는 박테리아 크기의 입자를 수 mm 정도 움직이는 것에 그쳤다.
체코의 연구진은 이번 연구를 통해 물건을 견인하는 트랙터 빔의 존재를 밝힌 것 외에도 의외의 성과를 거두었는데, 레이저 빔으로 밀고 당겨지는 입자들은 입자 크기 뿐 아니라 빛의 편광성에 의존된다는 사실이다.
즉 전기장이 입사 및 반사면에 있는 빛은 특정 크기의 입자들을 끌어당기는 것을 발견한 반면 같은 파장의 빛은 밀어내는 것을 발견했다. 연구진은 이를 통해 서로 다른 크기의 2가지 입자들의 혼합물을 분리해낼 방법을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
광선으로 물건을 견인하는 다양한 기술들
레이저 빔으로 믈건을 밀고 당기는 기술을 개발하는 연구는 현재 우주공학 분야에서도 활발하게 진행되고 있다. 지난 해 초 NASA의 최고기술국은 책임연구원인 폴 스타이슬리(Paul Stysley) 박사와 팀원들에게 우주궤도 상의 파편들을 청소하는데 트랙터 빔을 이용하자는 취지에서 연구비를 제공했다.
현재 연구팀은 레이저 광선을 사용하여 작은 입자를 붙들어서 계측 장비 내로 끌어오는 방법을 찾고 있다. NASA가 이 연구를 지원하는 이유에는 앞서 언급한 우주파편의 청소 외에도 소행성과 혜성 등의 천체 표본을 수집하는 현재의 방식에 만족할 수 없었던 탓도 있는 것으로 나타났다.
제마넥 박사가 언급한 예전의 방법에 대해서는 여러 가지 사례가 있지만, 그 중에서도 호주 국립대 연구진이 빛의 파워만으로 소형 입자를 1.5미터 가량 이동시킬 수 있는 디바이스를 구축했다고 발표한 사례가 대표적인 경우로 꼽히고 있다.
호주의 연구진은 과거 수년 동안 레이저를 이용하여 소형 입자를 이동시키는 연구를 진행해 왔다. 그들이 개발한 레이저 빔 광학집게 기술은 기존의 광학집게 기술보다 1백 배 이상인 1m 이상을 움직일 수 있는 것으로 알려졌다. 기존의 광학집게로는 박테리아 크기의 입자를 수 mm 정도 움직이는 것에 그쳤다.
체코의 연구진은 이번 연구를 통해 물건을 견인하는 트랙터 빔의 존재를 밝힌 것 외에도 의외의 성과를 거두었는데, 레이저 빔으로 밀고 당겨지는 입자들은 입자 크기 뿐 아니라 빛의 편광성에 의존된다는 사실이다.
즉 전기장이 입사 및 반사면에 있는 빛은 특정 크기의 입자들을 끌어당기는 것을 발견한 반면 같은 파장의 빛은 밀어내는 것을 발견했다. 연구진은 이를 통해 서로 다른 크기의 2가지 입자들의 혼합물을 분리해낼 방법을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
광선으로 물건을 견인하는 다양한 기술들
레이저 빔으로 믈건을 밀고 당기는 기술을 개발하는 연구는 현재 우주공학 분야에서도 활발하게 진행되고 있다. 지난 해 초 NASA의 최고기술국은 책임연구원인 폴 스타이슬리(Paul Stysley) 박사와 팀원들에게 우주궤도 상의 파편들을 청소하는데 트랙터 빔을 이용하자는 취지에서 연구비를 제공했다.
현재 연구팀은 레이저 광선을 사용하여 작은 입자를 붙들어서 계측 장비 내로 끌어오는 방법을 찾고 있다. NASA가 이 연구를 지원하는 이유에는 앞서 언급한 우주파편의 청소 외에도 소행성과 혜성 등의 천체 표본을 수집하는 현재의 방식에 만족할 수 없었던 탓도 있는 것으로 나타났다.
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| ▲ NASA는 빛의 힘을 이용하여 입자를 운반하는 방식을 연구하는데 투자했다. ⓒNASA |
현재 천체의 표본을 수집하는 과정은 대부분 토양에서 캐거나 암반을 파괴시켜 일부를 채집하기 때문에 물리적인 손상을 가져오는 반면에 레이저 빔으로 견인하는 것은 입자를 파내는 것이 아니라 끌어당기기 때문에 구조적인 손상 가능성이 없다는 것이 NASA 측의 설명이다.
그런가 하면 지금까지의 방법과는 다른 방식으로 견인하는 광선을 개발하는 경우도 다양하게 시도되고 있다. 중국 상하이 푸단대학의 물리학자인 준 첸(Zun Chen) 박사는 매우 먼 거리까지 초점을 유지하는 특이한 레이저 광선인 '베셀 빔(Bessel beam)'을 사용한 견인 광선 개발 계획을 최근 발표한 바 있다.
베셀 빔은 진행방향 상의 물체에 전기장과 자기장을 만들어내며 이 전기장과 자기장은 물체를 빔의 진행방향과 반대 방향으로 끌어오게 되는데, 첸 박사는 베셀 빔이 가진 이 같은 성질을 이용해 입자의 견인이 가능하다고 보고 있다.
또한, 견인 광선의 또 다른 시도로 '솔레노이드 빔 (solenoid beam)'을 사용한 방식도 있다. 뉴욕대의 물리학자인 데이비드 그리어(David Grier) 박사는 최근 광학 분야 국제학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 솔레노이드 빔을 이용해 멀리 있는 입자를 끌어올 수 있는 기기를 개발했다고 발표한 바 있다.
솔레노이드 빔은 레이저와 달리 빔의 중심부가 밝고 주변부는 어두우며 고에너지를 코르크 따개와 같은 나선형으로 전달하는 것으로 알려졌다.
과학자들은 이처럼 광학 분야의 견인 광선은 결코 공상과학적인 허구의 산물이거나 먼 미래에서나 가능한 기술이 아니라고 입을 모으고 있다. 그러나 앞서 기술한 바와 같이 사람처럼 질량이 큰 물체를 끌어당기는 것은 적어도 현재까지의 기술로는 불가능하다는 것이 공통된 의견이다.
일례로 그리어 박사의 솔레노이드 빔 방식으로 사람을 끌어당기려면 무려 1조 와트(W)의 빔이 필요한 것으로 나타났는데, 이 정도의 광선에 쏘인 사람은 견인되기도 전에 바싹 타버릴 것이기 때문이다.
그런가 하면 지금까지의 방법과는 다른 방식으로 견인하는 광선을 개발하는 경우도 다양하게 시도되고 있다. 중국 상하이 푸단대학의 물리학자인 준 첸(Zun Chen) 박사는 매우 먼 거리까지 초점을 유지하는 특이한 레이저 광선인 '베셀 빔(Bessel beam)'을 사용한 견인 광선 개발 계획을 최근 발표한 바 있다.
베셀 빔은 진행방향 상의 물체에 전기장과 자기장을 만들어내며 이 전기장과 자기장은 물체를 빔의 진행방향과 반대 방향으로 끌어오게 되는데, 첸 박사는 베셀 빔이 가진 이 같은 성질을 이용해 입자의 견인이 가능하다고 보고 있다.
또한, 견인 광선의 또 다른 시도로 '솔레노이드 빔 (solenoid beam)'을 사용한 방식도 있다. 뉴욕대의 물리학자인 데이비드 그리어(David Grier) 박사는 최근 광학 분야 국제학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 솔레노이드 빔을 이용해 멀리 있는 입자를 끌어올 수 있는 기기를 개발했다고 발표한 바 있다.
솔레노이드 빔은 레이저와 달리 빔의 중심부가 밝고 주변부는 어두우며 고에너지를 코르크 따개와 같은 나선형으로 전달하는 것으로 알려졌다.
과학자들은 이처럼 광학 분야의 견인 광선은 결코 공상과학적인 허구의 산물이거나 먼 미래에서나 가능한 기술이 아니라고 입을 모으고 있다. 그러나 앞서 기술한 바와 같이 사람처럼 질량이 큰 물체를 끌어당기는 것은 적어도 현재까지의 기술로는 불가능하다는 것이 공통된 의견이다.
일례로 그리어 박사의 솔레노이드 빔 방식으로 사람을 끌어당기려면 무려 1조 와트(W)의 빔이 필요한 것으로 나타났는데, 이 정도의 광선에 쏘인 사람은 견인되기도 전에 바싹 타버릴 것이기 때문이다.
 저작권자 2013.02.05 ⓒ ScienceTimes |
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