TU Wien과 UC 샌디에이고 연구진은 헬륨에 자외선 레이저 펄스를 쏘아 두 전자의 상관 과정으로 통상적인 에너지 한계를 넘는 X선을 얻었다고 Nature Photonics에 보고했다.
TU Wien(빈 공과대학교)과 캘리포니아대학교 샌디에이고 캠퍼스의 물리학자들은 레이저로 유도되는 빛 방출의 표준 이론이 허용하는 것보다 높은 에너지의 X선을 생성했다고 보고했다. 고차 고조파 생성이라 불리는 기존 그림에서는 강한 레이저 장이 원자에서 전자 하나를 떼어내 가속한 뒤 다시 원자로 되돌려 보내고, 그 에너지가 고주파 빛의 매우 짧은 파열로 방출된다. 이론은 이 과정의 최대 광자 에너지를 컷오프로 규정하며, 그 너머의 방출은 극도로 약할 것으로 예상된다. Nature Photonics에 실린 이번 연구는 이 경계를 넘는 뚜렷한 신호를 기술하며, 연구진은 단일 전자 모델이 다루지 못하는 효과 때문이라고 설명한다.
대학 발표에 따르면 연구진은 강한 자외선 레이저 펄스를 헬륨 원자에 조사하고, 헬륨의 두 전자가 연달아 떨어져 나가도록 조건을 맞췄다. 두 전자는 서로 다른 순간에 풀려났지만 운동은 양자 상관으로 연결된 채 유지되었다. 펄스를 정밀하게 조절해 두 전자가 같은 시각에 원자로 되돌아오게 했고, 그 결과 두 전자의 에너지가 한꺼번에 방출되어 더 높은 에너지의 단일 X선 광자가 만들어질 수 있었다. 측정된 스펙트럼에서는 기존 컷오프를 훨씬 넘어 이어지는, 더 약한 두 번째 지속 방출 구간(플래토)이 나타났다. 이 효과는 두 전자가 강하게 상관된 헬륨에서 나타났고, 사용한 실험 조건에서 아르곤과 네온의 바깥 전자에서는 나타나지 않았다.
연구진은 이 방출이 원자 안에서 전자들이 어떻게 상호작용하는지 살피는 민감한 탐침이 될 수 있다고 제안한다. 스펙트럼의 모양, 최대 에너지, 레이저 편광 의존성이 아토초(10억분의 1의 10억분의 1초) 단위로 일어나는 과정의 정보를 담고 있기 때문이다. 이 원리는 장기적으로 분자와 고체 물질로 확장될 수 있어 양자 기술과 나노물질 설계 연구에 도움이 될 수 있다고 하지만, 이런 응용은 입증된 것이 아니라 전망 단계이다. 이 결과는 하나의 공동 연구에서 나온 것이며 관련 기관이 설명한 대로 전달한 것이다. 메커니즘이 얼마나 폭넓게 적용되는지 확인하려면 독립적인 재현과 추가 이론 연구가 필요하다.
