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  개요

  FEEL 시설장비도서관은 노벨상을 많이 받은 연구기관을 지속적으로 소개하고 있습니다. 이번 호에서는 연구장비 개발 및 활용을 통해서 창의적이고 우수한 연구 성과를 많이 내어 노벨상 수상자를 다수 배출한 MIT 물리학과를 소개합니다.

  매사추세츠 공과대학교는 미국 매사추세츠(Massachusetts) 주 케임브리지(Cambridge)에 있는 사립대학이다. 공과대학교라는 이름을 가지고 있지만 실제로는 경영학 및 인문학 분야도 가르치는 종합대학교로 'MIT'라는 약칭으로 더 많이 알려져 있다.

  MIT는 설립 당시 유럽, 특히 독일의 공과대학들을 본받아 실용적인 이공계 학문의 수요에 부응한다는 개념으로 탄생됐다. 이후 1930년대 전후에 기초과학의 중요성을 같이 강조하면서 명실공히 최고의 이공계 대학으로 발돋움할 수 있는 기틀을 마련했다.

  또한 MIT는 이공계 분야가 워낙 독보적이지만 이에 만족하지 않고 지난 60년간 물리학 및 공학 분야뿐만 아니라 생물학, 경제학, 언어학, 정치학, 경영학까지 학교 교육을 확장하여 이 분야까지도 세계 최고 수준으로 만들게 된다.

  아카데미

  

  MIT는 UROP(The Undergraduate Research Opportunities Program)을 통해 다른 대학에 비해 다양한 형태의 연구 프로그램을 제공하고 있다. UROP는 사제간 연구 파트너십을 구축하고 지원하는 프로그램으로, 연구활동을 통한 배움의 힘을 믿는 맥 바이칼(L.A. MacVicar) 교수에 의해 1969년 처음 만들어졌다.

  UROP는 스스로 연구 프로젝트를 수립하도록 지원하는 등 본인이 가진 아이디어를 구현할 수 있도록 하여 최신의 연구활동을 할 수 있는 기회를 제공한다. UROP에 참여한 학생들은 연구계획 수립, 제안서 작성, 연구수행, 자료분석 및 연구 발표와 같은 표준 연구활동 단계에 참여하고 있다. MIT 학생들은 UROP 활동을 통하여 교수와 친숙해 질 수 있고, 앞으로 결정할 전공과 관심 분야를 미리 살펴볼 수 있는 기회를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 졸업이나 대학원에 진학 후 갖게 될 직업에 대한 지식과 관련 분야의 실제적 기술을 배울 수 있다.

  랭킹

  

  MIT는 개교 이후 2011년까지 노벨상 수상자를 76명이나 배출한 세계적인 명문 학교다. 2016년 《영국 QS 세계 대학 순위》에서 세계 1위, 2016년 《타임스 고등교육 세계 대학 학계》 평판 순위에서는 세계 5위에 올랐다. 특히 공학과 물리학, 기술 분야에서의 독보적인 명성에 힘입어 2017년 《U.S. 뉴스 & 월드 리포트》 미국 종합 대학 순위에서 전미 7위를 기록했다. 원자핵 공학과 2위, 화학과 1위, 슬론 경영대학 3위 건축대학원은《디자인인텔리전스》의 2016년 미국 건축대학원 순위에서 5위를 차지했다.

  오늘날 MIT가 세계적인 명성을 얻을 수 있었던 것은 역대 총장들의 뛰어난 설립자 정신과 함께 첨단 기술을 필요로 하는 전쟁 무기 개발에 공헌했기 때문이라고 해도 과언이 아니다. 특히 물리학과의 공헌이 컸다. 전쟁이 시작됐던 1930년 말, MIT는 동맹국을 돕기로 협약을 맺어 전시 작전을 수행하고, 군사경계구역의 기술 교육을 지원하여 지속적으로 기술이 발전했던 당시 전쟁에서 동맹국이 효과적으로 싸울 수 있도록 도왔다.

  물리학과에서는 컴퓨터, 레이더, 관성항법, 미사일 유도 시스템, 잠수함 등 전쟁에 직접적인 영향력을 발휘했던 각종 무기 개발에 힘써 그 이름을 높였다. 이로 인해 냉전시대를 지나는 동안 미국에서 가장 많은 박사들이 MIT에서 배출되기도 했다. “물리학자들의 전쟁”이라 불리어질 만큼 세계 2차 대전은 MIT 물리학의 본질을 바꿔 놓았다.

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• Research Fields

  MIT의 물리학과는 여러 분야에서 물리학에 관한 새로운 발견을 해 나가는데 앞장서고 있다. 은하계나 우주 전체에 관한 거시세계에서부터 기초 입자나 입자들의 소립자의 구조와 같은 미시구조까지 연구하고 있다. 또한, 개별 원자의 미시 세계로부터 초전도체나 생물체와 같은 복합계까지 연구하고 있다.

  연구 분야는 천체 물리학(Astrophysics), 원자·생물·응집물질 및 플라즈마 물리학(Atomic, Biophysics, Condensed Matter, and Plasma Physics), 고에너지 물리학의 실험 분야(Experimental Nuclear and Particle Physics), 고에너지 물리학의 이론 분야(Theoretical Nuclear and Particle Physics)까지 4개의 분야를 연구하고 있다.

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    레이저 간섭계 중력파 관측소

    레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO)는 미국 워싱턴 주 핸포드, 루이지애나 주 리빙스턴에 위치한 중력파 관측 시설이다. 1992년 캘리포니아 공과대학교의 킵 손과 로널드 드리버, 매사추세츠 공과대학교의 라이너 웨이스가 공동 설립하였고, 두 학교와 다른 대학들이 참여하는 중력파 천문학의 공동 연구사업으로 시작하였다. 이후 연구 협업 조직을 확대 설립하면서 세계 900명 이상의 과학자들이 참여하게 된다.

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    헤이스텍 천체 관측소

    1970년에 설립된 헤이스텍 관측소(The Haystack Observatory)는 메사추세츠 캠브리지에서 40마일 떨어진 곳에 위치한 그로턴(Groton), 팅스버러(Tyngsborough), 웨스트 포드(Westford) 마을 언덕에 자리잡고 있다. (관측소 면적 약 5,260,913.35m²) 100명의 과학자, 엔지니어, 기술 담당자들이 관측소에서 연구 프로그램을 수행하며 관측소를 운영하고 있다. 이 관측소는 MIT의 전체적인 천체 연구 구조의 중심이 되는 시설이다.

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• Global Research

  연구소 내외의 학생, 교수, 파트너들은 수년 간 세계의 커다란 도전 앞에 획기적인 해결책을 제시하기 위해 연구와 실험을 통한 협력을 계속해 오고 있다. 선도연구 기관과 세계 협회 그리고 투자 전략 파트너와의 파트너십으로 MIT의 연구 성과는 지속적으로 향상되었다. 프로젝트와 현장 연구를 통해 더 나은 기초 지식을 연구한 MIT 연구원들은 세계 곳곳의 문제를 찾아 해당 분야에서 영향력을 펼치고 있다.

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    알파 자기 분광계
    (Alpha Magnetic Spectrometer)스위스

    스위스 CERN에서 통제하고 국제 우주 정거장에 설치된 이 알파 자기 분광계는 반물질, 암흑물질, 우주선(cosmic ray) 연구를 위한 MIT 실험에 활용되고 있다.

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    전자 이온 충돌 공동연구
    (Electron-Ion Collider Collaboration)아르헨티나, 독일, 인도, 이스라엘, 일본, 폴란드, 영국

    전세계 100명 이상의 물리학자들과 대학들은 우리 주위의 식별할 수 있는 모든 물질들을 결속시키는 입자 글루온을 연구하기 위해 경쟁력 있는 새로운 시설들을 구축하고 있다.

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    원자핵상호작용연구팀
    (Nuclear Interaction Group)독일

    핵상호작용그룹(NIG)의 연구원들은 독일 마인츠 대학, 제퍼슨 연구소 그리고 MIT에서 핵상호 작용과 핵자와 핵의 역학 구조에 대한 근본적인 성질을 이해하기 위한 연구를 하고 있다.

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    마젤란 망원경 컨소시엄
    (Magellan Telescopes Consortium)칠레

    몇몇 대학과 함께 MIT는 칠레에 세로라스 컴퍼너스(Cerro Las Campanas)의 해발 8000피트에 위치한 두 개의 망원경을 공동운영하고 있다.

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    입자 물리학 공동연구
    (Particle Physics Collaboration)스위스

    입자 물리학의 표준 모델을 완성시키는데 관하여 CERN Large Hadron Collider(LHC)에서 고에너지 양성자끼리의 충돌 데이터를 분석하고 있다.

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    상대성 중이온 연구팀
    (Relativistic Heavy Ion Group)MIT 캠퍼스, 스위스

    이 팀은 CERN에 있는 LHC(Large Hadron Collider)에서 연구하며 CMS(Compact Muon Solenoidal)의 중이온 프로그램에 선두 역할을 하고 있다.

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• History

  세계 2차 대전이 발발하면서 MIT는 동맹국을 돕기로 협약을 맺는다. MIT에서 전시 작전을 수행하고, 군사경계구역에 기술 교육을 지원하여, 지속적으로 기술이 발전되어 가는 전쟁에서 동맹국이 효과적으로 싸울 수 있도록 도왔다. “물리학자들의 전쟁”이라 불리는 세계 2차 대전은 모든 지역뿐만 아니라 특히 MIT 물리학의 본질을 바꿔 놓았다.

  • 1865-1915The Early Department:학과의 초기 시절

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      물리학자이자 지질학자였던 윌리엄 바턴 로저스(William Barton Rogers, 1804~1882)는 당시 급속도로 발전하던 세계의 과학기술을 보고 보다 실력 있는 과학 인재들을 배출해야 한다는 신념으로 학교를 세웠다.

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      MIT의 초창기 물리학 교수 중 한명인 에드워드 피커링(Edward C. Pickering)은 물리학과의 교습실험실을 발전시키기 위해 많은 노력을 기울였다. 1873년, 피커링은 실험실에서 연구한 것을 기반으로 미국에서는 당시까지 출간된 적이 없는 최초의 물리학 실험실 메뉴얼을 만들었다. 이는 미국 전역에 있는 연구실의 기반이 되었다.

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      로저스 물리학 연구실의 첫 탄생. 그림의 가운데는 음파를 기록하는 장치인 포노토 그래프로 맨 오른쪽 아래가 베터리 저장소이고 오른쪽 뒤는 전자제판기이다.

  • 1916-1939New Labs and New Frontiers : 새로운 연구실, 새로운 한계에 도전

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      칼 콤프넌(Karl T. Compton)이 MIT 총장을 맡았을 때, 물리학과를 MIT의 핵심적인 중추로서 세계적인 연구소로 탈바꿈하기 위해 새로운 연구시설을 만들어 젊은 청년들을 끌어들였고, MIT 건물 예산으로 화학과 물리학 연구실을 설립하였다.

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      조시 헤리슨(George R. Harrison)이 스텐포드대학에서 조지 이스트먼 연구실의 책임자로 초빙되었다. 헤리슨은 주로 스펙트럼선을 통하여 화학물질을 분석하는 분광학에 대해 연구했고, “고속 자동 콤퍼레이터(high-speed automatic comparator)”를 개발했는데 이 장치는 기존 방법 보다 50배나 빠르게 스펙트럼 파장을 기록하고, 계산하고 측정할 수 있는 장치이다.

  • 1940-1945physics and war : 물리학과 전쟁

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      작고 기묘한 라디오 진공관은 멀리 떨어진 배와 비행기를 감지하는 파장을 탐지하기 위해 영국이 수년 간 연구해 오던 것인데, 빠른 속도로 발전해 나가는 독일 공군력에 대항할 기술을 영국 혼자서 발전시키기에는 한계가 있었다. 1930년부터 마이크로파를 연구해 왔던 MIT는 방어를 목적으로 전쟁 초기부터 미국의 마이크로 파 연구에 가담하게 되었다.

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      MIT물리학과의 모든 사람들은 전쟁과 관련된 연구에 참여하게 되었다. 로버트 J. 반데그라프(Robert Van de Graaff)와 윌리암 W. 부크너(William W. Buechner)는 미국과 적들의 움직임을 파악하는데 사용되는 고전압 x-ray 기계를 개발하였다.

  • 1946-1970MIT 물리학과의 성장

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      단기간에 MIT 물리학과는 미국에서 가장 유명한 학과로 자리 잡게 되었다. 냉전시대를 지나는 동안 미국에서 가장 많은 박사들이 MIT에서 배출되기도 했다. 1956년, 소련이 세계 최초로 인공위성 스푸트니크 발사를 성공적으로 마친 후에는 전체 지원자 4명 중 1명이 물리학과에 지원할 만큼 학과의 인기가 높아졌다.

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      전쟁 이후에는 교수와 학생들이 성장 할 수 있는 새로운 기기와 장비들이 갖추어졌다. 1950년에는 300-MeV 전자 싱크트론과 12-MeV 전자 발전기가 운영되었다. 더 나은 발전을 장려하기 위한 거의 모든 지원금은 연방 정부로 부터 방위 계약 또는 국립 과학 재단 보조금 형태로 나왔다. 초기 냉전 시대 당시 MIT는 국내에서 가장 큰 규모의 방위산업체가 되었으며, 많은 자금이 후원자들에 의해 LNSE, RLE, 링컨 연구소 같은 정부 부처 연구소로 지정되어 지원 받았다.

  • 1971-Present현대의 물리학과

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      헨리웨이 켄들박사가 거대한 가속기로 양성자와 중성자의 빛을 조사해 쿼크의 존재를 밝혀내고, 쿼크가 기본적으로 양성자와 중성자를 형성하는 덩어리라고 해석한 공로로 1990년, 제롬 프리드먼과 함께 노벨상을 공동수상하였다.

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      MIT물리학자 케털리와 그의 동료들은 '보제-아인슈타인 응집'을 절대온도에 가까운 상태에서 실현, 수많은 원자가 마치 하나처럼 뭉쳐 있는 새로운 물질 상태를 만들어 내는 데 성공했고 원자물리학의 기본이 되는 이론을 증명한 공로로 2001년, 노벨물리학상을 받았다.

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      프랭크 윌책(Frank Wilczek)박사는 원자핵을 이루는 쿼크들 사이에 존재하는 색힘(color force), 즉 강력(强力)으로 불리는 미지의 힘의 작용을 규명한 공로로 노벨상을 수상하였다.

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• Latest News

  백열전구의 귀환… 인류의 밤을 다시 밝힐 수 있을까

  헤럴드경제 / 김성훈 기자 메일

  

  해가 지면 잠에 들어야 했던 인류에게 ‘저녁이 있는 삶’을 선물했던 백열전구. 비록 전기가 많이 든다는 이유로 퇴출 위기에 처했지만, 최근 기술발달로 화려하게 부활할 가능성이 열렸다.
  미국 매사추세츠공대(MIT) 연구진은 LED전구보다 더 에너지 효율이 높은 백열전구를 만들었다고 영국 텔레그래프 등이 11일(현지시간) 보도했다.

  연구팀은 백열전구 속 필라멘트를 특수 크리스탈 조직으로 감쌌다. 그러자 보통 열로 유실되고 마는 에너지가 크리스탈에 부딪쳤다 다시 살아나 계속 밝은 빛을 뿜어냈다. 연구진은 이 기술을 ‘빛 재활용’이라고 불렀다. 일반적으로 공기 중에서 사라져버리는 에너지가 다시 필라멘트로 돌아와 새로운 빛을 만들어내기 때문이다. MIT 물리학과 마린 솔자치치 교수는 “이 기술은 버려지는 에너지를 재활용한다”고 설명했다.

  일반 백열전구의 에너지 효율이 5%에 불과한 반면에, 새로 발명한 백열전구의 효율은 40%에 달한다. 이는 14% 정도의 에너지 효율을 가진 LED전구나 형광등보다도 월등히 높은 수준이다.

  사실 효율성의 문제를 제외한다면 백열전구는 아직까지도 경쟁력 있는 제품이다. 사물은 자연광을 받았을 때 보이는 색상과 백열등, 형광등, LED 전등 빛을 받았을 때 보이는 색상이 다른데, 백열전구는 인공조명이 자연광과 얼마나 가까운가를 나타내는 지표인 연색성지수(CRI)가 100에 가까워 자연광에 가깝다. LED전구나 형광등의 연색성지수는 80미만이다. 형광등이 있는 일반 실내에서보다 백열등이 있는 화장실에서 거울을 볼 경우 자신의 모습이 좀 더 괜찮게 비춰지는 이유는 이 때문이다.

  LED, 형광등 등 백열전구의 대체품이 사람의 수면을 방해하는 청색광을 배출하고, 위험한 화학물질을 포함하고 있다는 논란으로부터도 백열전구는 자유롭다.

  한편 미국ㆍ일본ㆍEU 등은 단계적으로 백열전구 퇴출 운동을 펼쳐왔다. EU는 지난 2009년부터 백열전구의 생산과 판매를 금지했고, 미국도 2012년부터 백열전구 대신 LED조명 보급에 앞장섰다.

  이 연구는 네이쳐 나노테크놀로지에 실렸다.

  ※ 헤럴드경제
  http://heraldk.com/2016/01/12/백열전구의-귀환-인류의-밤을-다시-밝힐-수-있을까/

  ‘우주의 금광’…금·은 등 중원소로 가득한 은하 발견

  서울신문 / 윤태희 기자 메일

  

  천문학자들이 ‘우주의 금광’을 찾아낸 것 같다.

  미국 매사추세츠공과대(MIT) 안나 프레벨 교수(물리학과)가 이끈 국제 연구팀은 우리 지구에서 약 10만 광년 거리에 있는 소은하 ‘레티큘럼 2’(Reticulum II) 안에 있는 가장 밝은 별 몇 개로부터 나온 흐릿한 빛을 분석했다.

  그 결과, 해당 별들에는 ‘R과정’(빠른 중성자 포획 과정)으로 불리는 현상으로 생성되는 원소들을 엄청나게 많이 있는 것으로 나타났다.

  여기에는 철보다 무거운 금과 은, 백금 등 귀한 원소가 포함된다.
  이 현상은 지난 1957년 핵물리학자들이 처음 이론으로 묘사했다.

  이번 연구는 지난 60여 년간 과학자들을 당황하게 만들었던 금, 은, 백금 등 원소의 다양한 기원에서 하나의 해답을 발견해낸 것이다.

  이에 대해 프레벨 교수는 “R과정으로 이런 중원소가 생성되는 방법을 이해하는 것은 핵물리학에서도 가장 어려운 문제 중 하나”라고 설명했다.

  보통 금과 은, 백금의 가치가 큰 점은 지구에서 희귀하다는 것에 있지만, 이런 원소가 생성되는 과정 역시 이런 중원소를 특별하게 만든다.

  왜냐하면 이런 중원소는 상상도 못할 만큼 큰 밀도를 가진 중성자별들이 엄청난 속도로 서로 충돌해야 생성되며 이런 원소가 다시 소행성 행태로 지구로 날아와야 하는 것이기 때문이다.

  프레벨 교수는 “이런 중원소가 생성되는 데는 너무 큰 에너지가 필요하므로 이를 실험적으로 생성하는 것은 거의 불가능하다”면서 “이런 중원소의 생성 과정은 단지 지구에서는 일어나지 않으므로 우리는 우주에 있는 별과 그 물질을 실험실로 사용해야 하는 것”이라고 말했다.

  또 연구팀은 생성이 어려운 이런 중원소로 가득한 고유 은하의 발견이 앞으로 항성 역사는 물론 우주 진화 과정을 밝혀낼 것으로 기대한다.

  별들은 자체적으로 중원소를 만들 수 없으므로 과거 이 은하에서는 특정 이벤트가 ‘씨앗’이 돼 금·은·백금 등을 가진 별이 만들어졌다는 것이다. 이런 중원소가 가득한 별들이 존재하는 것은 중성자별 간의 충돌이 원인임을 시사한다.

  또 이번 결과는 이런 별의 구성을 밝혀내는 방법으로 이런 별을 거느리고 있는 은하의 역사를 밝혀낼 수 있다는 것을 보여준다.

  이런 접근 방식은 ‘항성 고고학’(stellar archaeology)으로 불리고 있는데 천체물리학자들이 초기 우주 상태에 대해 자세히 배울 수 있게 해주는 것이다.

  프레벨 교수는 “난 정말 이번 결과가 별과 어느 정도 원소를 개별적으로 형성하는 은하의 연구를 위한 새로운 문을 열었다고 생각한다”면서 “우리는 정말 작은 규모의 별들과 정말 큰 규모의 은하들을 서로 연결하고 있는 것”이라고 말했다.

  이번 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature) 최신호(5월 21일 자)에 실렸다.

  ※ 서울신문
  http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20160522601007#csidx9626d4846c9b04baaa735ad218cc63a

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• Nobel prizes

  매사추세츠 공과대학교는 세계적인 명문학교라는 수식어에 걸맞게 개교 이후 2011년까지 노벨상 수상자를 76명이나 배출하였다. 특히 공학과 물리학, 기술 분야에서 독보적인 명성을 가지고 있는데, 물리학과에서만 배출한 노벨상 수상자는 6명이다.

  클리퍼드 슐은 중성자선속을 이용한 감광기록계 연구, 중성자산란을 이용하여 소금결정체에서 라우에무늬 관찰 등의 연구를 했으며, 망간산화물에 대한 중성자산란 실험을 통해 초전도체 연구의 기초를 세우기도 하였다. 찰스 타운스는 분자물리학·마이크로파 기술에 공헌하였으며, 원자시계의 제작, 암모니아 분자, 자성체를 사용한 미약전류의 증폭과 발진을 위한 새로운 장치인 분자증폭기(MASER)와 레이저를 발명하였다. 헨리 켄들와 제롬 프리드먼은 SLAC-MIT 실험'으로 불리는 연구를 통해 입자물리학에서 쿼크 모델 개발에 이바지하였으며 이 공로로 켄들, 테일러 박사와 1990년 노벨물리학상을 공동 수상하였다. 볼프강 케털리는 '보스-아인슈타인 응집'을 절대온도에 가까운 상태에서 실현, 수많은 원자가 마치 하나처럼 뭉쳐 있는 새로운 물질 상태를 만들어 내는 데 성공했고 원자물리학의 기본이 되는 이론을 증명한 공로로 2001년 노벨물리학상을 받았다. 원자핵을 이루는 쿼크들 사이에 존재하는 색힘(color force), 즉 강력(强力)으로 불리는 미지의 힘의 작용을 규명한 공로로 프랭크 윌첵이 2004년 노벨 물리학상을 수상하였다.

  
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• Research and Research Facilities&Equipment - 노벨 수상자의 연구 및 연구장비

  레이저 광선의 원리를 개발한 찰스 타운스

  찰스 타운스는 1953년 동료 연구진과 함께 극초단파를 만들어내는 메이저(maser)라는 장치를 만든다. 메이저(MASER)는 ‘방사선 유도방출에 의한 마이크로파의 증폭(Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)’을 뜻하며, 전자파의 일종인 마이크로파를 일정한 방향으로 강력하게 증폭시키는 장치이다.

  이 장치는 초정밀시계(원자시계 내 시간측정장치)나 우주통신장비에 활용되었다. 이후 이 장치는 전자파 대신 가시광선이나 적외선, 자외선 등 광선을 사용하는 레이저로 발전했다.

  광학의 메이저, 즉 레이저(LASER)는 메이저의 'Microwave'를 'Light'로 바꾼 것이다. 메이저의 원리가 빛에도 적용될 수 있는지에 관해 레베데프 연구소와 타운스 그룹에서 1958년부터 연구를 시작하였고, 그로부터 2년 뒤 최초의 레이저가 구현되었다.

  찰스 타운스는 레이저 광선을 개발한 공로로 1964년 러시아 레베데프연구소 알렉산드르 프로호로프, 니콜라이 바소프와 노벨 물리학상을 공동수상했다.

  

  레이저는 오늘날 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있는데, 우리 일상에서 볼 수 있는 최초의 레이저 애플리케이션으로는 1974년 슈퍼마켓에 첫 등장한 바코드스캐너를 예로 들 수 있다. 또한 레이저디스크플레이어는 레이저를 사용하는 최초의 성공적인 가전제품이었고, CD플레이어와 레이저프린터 등이 레이저를 활용한 가전제품의 뒤를 이었다.

  의료분야에서는 출혈 없이 수술이 이뤄지도록 돕는 레이저 칼과 레이저 인두, 결석제거기, 라식 라섹 수술에 사용되는 엑시머레이저 수술기기 등이 대표적이다. 산업분야에서는 자르기, 땜질, 재료 가열, 부품 상표마킹 등에 레이저가 이용된다. 방산분야에서도 타깃 마킹, 탄약안내, 미사일 방위, 전자광학 대응, 레이더대체 등의 용도로 쓰인다. 축제 때 밤하늘을 누비며 아름답게 수놓는 레이저 쇼도 레이저의 힘이다.

  

  레이저는 핵미사일을 막는 방패막으로 진화하고 있다. 2008년에는 적군이 발사한 미사일을 격추하기 위해 미국 공군이 개발하고 있는 공중 레이저 무기인 '에어본 레이저(ABL)에 대한 시험 발사가 성공했다.

  '공중 레이저'로 불리는 이 미사일 격추 장치는 보잉 747 제트여객기를 개조한 대형 비행기의 '코' 부위에 설치되는데, 레이저 광선을 이용해 적군의 탄도 미사일, 스커드 미사일 등을 격추할 수 있는 신개념 미사일 방어 무기다.

  ※ 출처
  http://www.zdnet.co.kr/column/column_view.asp?artice_id=20100318153336&type=det&re=
  http://lg-sl.net/mobile/sciencestory/sciencestorylist/readScienceStory.mvc?storyId=HHSC2015030001&mCode=WEST
  http://www.sedaily.com/News/NewsView/NewsPrint?Nid=1OBXC701U7

  제롬 프리드먼, 헨리 켄들의 쿼크의 발견

  제롬 프리드먼과 핸리 켄들은 테일러와 함께 'SLAC-MIT 실험'으로 불리는 연구를 통해 입자물리학에서 쿼크 모델 개발에 이바지하였으며 이 공로로 노벨물리학상을 공동 수상하였다.

  SLAC는 Standford Linear Accelerator Center의 약자로 미국 에너지부의 계획 하에 스텐퍼드 대학교가 운영하는 입자가속기 연구소이다. SLAC은 전자 빔을 사용하는 입자물리학의 이론 및 실험에 중점을 두고 있으며, 원자 및 고체 상태 물리학, 생물학, 화학, 의학 등 넓고 다양한 분야의 연구를 수행하고 있다. 3km 길이의 지하 입자 가속기는 세계에서 가장 긴 선형 가속기이며, 세계에서 가장 긴 직선 물체로 알려져 있다.

  

  'SLAC-MIT 실험'에서는 3km에 달하는 어마어마한 길이의 전자가속기와 현미경을 이용하여 양성자와 중성자를 연구했다.

  양성자를 극단적인 조건에서 실험하였는데, 이 극단적인 실험을 통해 충돌 후 심하게 편향되는 전자를 찾아내어 커다란 충돌 에너지를 흡수한 양성자가 본래의 모습을 유지하지 못하고 부서지면서 새로운 입자들을 쏟아내는 ‘깊은 비탄성 산란(deep inelastic scattering)’이라 불리는 현상을 관찰해냈다.

  

  입자가속기는 원자핵을 분석할 때 원자핵을 더 작게 나누기 위해서 사용한다. 입자 가속기에 의해 큰 운동에너지를 얻은 입자들은 다른 입자들과 충돌하여 새로운 소립자들을 만들어 내는데, 이러한 소립자들의 물리량을 분석하면 입자를 구성하는 물질들을 알아낼 수 있다. 가속 방식에 따라 선형 가속기와 원형 가속기로 나눌 수 있다.

  SLAC과 같은 선형 가속기에서는 전하를 띤 입자가 가는 원통형 관을 통과하게 되는데, 이 관은 고주파 진동자에 연결되어 있다. 선형가속기는 원형가속기에 비해 고른 입자 빔을 얻을 수 있고, 입자 빔의 세기가 강하며, 제동 복사에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있으나, 장거리에 걸쳐서 고주파 전압을 걸어야 하고, 일직선상에 장치를 정돈해야 하는 등의 기술적인 어려움이 있다.

  쿼크의 발견 이외에 리히터(B. Richter, 1931-)가 이끄는 스탠포드 선형 가속기센터 팀은 맵시쿼크(Charm Quark)를 발견하기 위한 실험에 착수하여 맵시 쿼크로 구성된 J/ψ 중간자를 발견함으로써 맵시 쿼크의 존재가 인정받게 되었다. 1974년에 일어난 이 예측과 발견을 11월 혁명이라고 부른다. 리히터는 이 실험으로 1976년에 노벨 물리학상을 수상하였다.

  ※ 출처
  http://m.blog.daum.net/vicson1/782
  https://ko.wikipedia.org/wiki/스탠퍼드_선형_가속기_센터
  http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1945677&cid=42567&categoryId=42568

  강력이론에서 점근적 자유성을 발견한 프랭크 윌첵

  프랭크 윌첵, 데이비드 그로스, 데이비드 폴리처의 연구를 통해 전자기력·약력·강력 등 3가지 힘을 하나의 이론(통일장이론)으로 설명할 수 있는 기틀이 마련되었다. 윌첵은 쿼크의 상호작용을 밝혀 자연의 이치를 하나의 이론으로 설명하는 과학의 꿈을 실현하는 데 이바지한 공로로 2004년에 나머지 두 명과 공동으로 노벨물리학상을 받았다.

  세 명이 강력의 상호작용을 밝혀내기 전까지 물리학계에서는 쿼크가 지나치게 큰 강력으로 묶여 있다고 생각하였기 때문에 쿼크 사이의 상호작용을 이해할 수 없었다. 15년간 대형 강입자 충돌기(LHC:Large Hadron Collider)에서 이들에 의해 수행된 실험들을 통해 쿼크간의 ‘강력’에 관한 이론의 정확성을 검증할 수 있었다.

  

  대형 강입자 충돌기(大型 粒子衝突器, 영어: Large Hadron Collider, 줄여서 LHC)는 CERN에서 세운 입자 가속 및 충돌기로, 강력한 전자기장 힘으로 강입자를 가속시켜 서로 충돌시키는 장치이다. 스위스 제네바 근방에 위치하고 있으며, 목표 에너지 수치는 13TeV로 세계 최대, 최고 에너지의 입자 가속기이다. 50에서 150미터 정도 되는 깊이에 27km의 원형 터널로 이루어져 있다. 본래 이 터널은 거대 전자-양전자 충돌기(Large Electron-positron Collider, LEP)가 쓰던 공간이었는데, 터널 지름이 3미터로 스위스와 프랑스 국경에 걸쳐 있다. 충돌기는 지하에 있고, 충돌기 위 지상에 있는 많은 건물은 압축기, 통풍시설, 전자제어, 플랜트 냉각 등 보조적인 구실을 하고 있다.

  충돌기 터널에는 양성자 빔을 운반하는 2개의 파이프가 들어 있으며, 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여 있다. 2개의 파이프에서 나온 양성자 빔은 서로 터널의 정반대 방향으로 향하게 된다. 여러 개의 추가 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 빔을 조정하는 역할을 하며, 이 교차점에서 입자들 사이의 상호작용이 일어나게 된다.

  

  LHC에는 27km의 양성자 빔라인(beam line)을 따라 곳곳에 양성자가 충돌하는 지점이 있다. 충돌지점에는 엄청난 크기의 입자검출기가 설치되어 양성자가 정면충돌한 결과 어떤 입자들이 어떻게 새로이 생겨났는지를 생생하게 알 수 있다. 그래서 검출기는 우리의 눈과도 같다. LHC에는 총 6개의 검출기가 설치되었다. 그 중에서 ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus)와 CMS(Compact Muon Solenoid)는 다목적의 대규모 검출기이다. ATLAS는 길이가 46m, 높이 25m에 무게는 7천 톤이다. CMS는 ATLAS보다 약간 작지만 무게는 두 배 가까이 더 무겁다. 물론 ATLAS는 지금까지 만든 입자검출기 중에서 가장 크다.

  ATLAS는 길이가 46m, 높이 25m에 무게는 7천 톤이다. CMS는 ATLAS보다 약간 작지만 무게는 두 배 가까이 더 무겁다. 물론 ATLAS는 지금까지 만든 입자검출기 중에서 가장 크다.

  ATLAS는 초당 320MB, CMS는 초당 220MB의 실험데이터를 양산한다. 이 데이터들은 복잡하게 얽인 회로(마치 인체의 시신경과도 같다)를 통해 컴퓨터로 처리된다. 2013년에는 LHC의 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 발견되기도 하였다.

  ※ 출처
  http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=77
  http://www.itworld.co.kr/news/51009/MIT%20물리학자#csidx6b9e1b9ea8dc1609719aef84d5ceb18
  https://artsandsciences.colorado.edu/mag-old/2011/04/nobel-laureate-to-deliver-gamow-lecture/

  제 5의 상태 ‘초고체’를 만들어낸 볼프강 케털리

  케털리는 코넬, 와이먼과 함께 '보스-아인슈타인 응집'을 절대온도에 가까운 상태에서 실현, 수많은 원자가 마치 하나처럼 뭉쳐 있는 새로운 물질 상태를 만들어내는데 성공하였다. 또한 원자물리학의 기본이 되는 이론을 증명해냈고 이러한 일련의 공로로 2001년 노벨물리학상을 수상하였다.

  케털리 연구팀은 우리들이 흔히 알고 있는 고체, 액체, 기체, 플라즈마를 넘어 다른 새로운 제 5의 상태 ‘초고체’를 만들어냈는데 초고체는 이름 그대로 고체를 ‘뛰어넘은’ 고체다. 고체의 두 가지 성질 중 ‘규칙적인 결정구조’는 유지한 채로 액체, 기체, 플라스마와 같은 유체처럼 흐를 수 있게 한 것이다. 심지어 그냥 흐르는 것이 아니고 마찰도 없이 흐를 수 있는 초유체로서의 성질을 가지고 있다.

  

  또한 전자의 스핀 각운동과 궤도 각운동 간의 자기적인 상호작용인 ‘스핀-궤도 상호작용’ 방법을 활용하였다. 연구팀은 초기 레이저 세트를 사용해 초고성능의 진공챔버에서 응축기의 절반을 다른 양자로 변환시켜 BEC 물질을 섞은 혼합물 두 개를 만든 다음, 레이저빔으로 두 혼합물 사이에서 원자를 이동시켰다. (이를 ‘스핀플립’이라고 불렀다.)

  1995년에 볼프강 케털리 교수와 동료들이 최초로 제작한 보즈-아인슈타인 응축물이라고 하는 과냉각 물질의 기묘한 형태는 원자 레이저 개발을 가능하게 해주었다. 개별적인 원자들이 자신들의 정체성을 잃고 단일 덩어리로 결합된 이 물질은 여러 가지 점으로 볼 때 레이저 빛의 광자와 유사한 속성을 가졌다. 일반적인 광레이저는 위상이 같은 단색광을 방출하지만, 원자레이저는 초저온 아래에서 특수한 물리상태에 있는 원자를 방출한다.

  과학자들은 초고체 연구가 초유체에 대한 이해를 돕는데 큰 역할을 할 것이라고 생각하고 있다. 초유체는 마찰 없이 흐르는 성질을 가지고 있기 때문에 그 활용 방법은 실로 무궁무진하다고 할 수 있다. 마찰이 없다는 것은 에너지 손실이 없다는 것이기 때문에 엔진이나 에너지 발전 분야에서 다양한 응용이 가능할 것이라 생각된다.

  ※ 출처
  http://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=6721437&memberNo=36405506&mainMenu=SCIENCE
  http://www.youthassembly.or.kr/niabbs5m/bbs.php?bbstable=it1&call=read&no=38322
  http://science.dongascience.com/articleviews/article-view?acIdx=502&acCode=4&year=2017&month=04&page=1

  클리퍼드 슐

  클리퍼드 슐은 중성자 산란 기술 개발로 1994년 노벨 물리학상을 공동수상하였다. 원자로에서 나오는 중성자선속을 이용하여 회절현상을 포착할 수 있는 감광기록계를 연구하였고, 최초로 중성자산란을 이용하여 소금결정체에서 라우에무늬를 관찰하였다. 또한 결정체 격자 속에서 중성자 간섭현상을 이용해 강자성체와 반자성체의 자기적 구조에 대해 연구했다.

  1949년 망간산화물에 대한 중성자산란 실험을 발표했는데, 반자성체가 특정온도에서 자기모멘트 질서를 유지하는 것을 밝혀내어 초전도체 연구의 기초를 세웠다.

  

  이러한 클리퍼드 슐의 연구가 이뤄진 오크리지 국립연구소의 X-10 흑연원자로는 1945년에 세계 2차 대전을 종식시키는데 결정적인 역할을 하였던 원자폭탄의 제작을 위해 설치되었다.

  1938년 독일의 오토한(Otto Hahan)이 우라늄 핵분열을 발견한 이듬해 일련의 과학자들 사이에 핵분열 연쇄반응에 의한 핵무기의 가능성이 거론되었다. 특히 유럽에서 건너온 미국의 이민 과학자들을 중심으로 당시 루즈벨트 대통령에게 핵무기 개발을 설득하는 노력이 시작되었고, 1942년 원자폭탄을 개발하는 목적으로 오크리지에 본부를 둔 맨하탄 프로젝트가 시작되었다.

  원자폭탄을 하나 만들려면 최소한도 15kg의 농축우라늄 또는 풀루토늄이 있어야 된다. 이 플루토늄의 생산을 위해 1943년 2월 오크리지의 x-10 에 흑연 원자로(graphite reactor) 및 정제 시설, Y-12에는 전자장을 이용한 우라늄 동위원소 분리시설, 그리고 K-25에는 기체확산법에 의한 우라늄 농축시설 등이 건설되었다.

  클리퍼드 슐은 X-10 흑연 원자로와 CP-3 중수로를 사용하여 원자로로부터 핵분열반응에서 나오는 중성자를 흑연감속재를 사용하여 느린 중성자를 생성시킬 수 있었다. 1946년 오크리지에서 워렌(Wollan) 그룹에 합류 한 워렌과 클리퍼드 슐의 후속 작업은 중성자 회절의 광범위한 적용을 위한 토대를 마련했다.

  

  속도가 느린 열중성자는 X선 실험이나 기타의 실험으로 불가능한 고체의 결정구조를 밝히는데 탁월한 능력을 발휘한다. 따라서 열중성자를 이용한 간섭 및 회절실험은 물리학 재료공학 화학 및 생물학에까지 널리 활용되고 있다. 우리나라는 한국원자력연구원이 연구용 원자로 하나로(HANARO)에서 생산되는 고품질의 중성자를 이용한 중성자 산란장치 12기를 가동 중으로, 특히 2011년부터 본격 가동을 시작한 냉중성자 연구시설을 이용해서 중성자 이용 연구 분야를 나노와 바이오 분야까지 확장해 국내외 산학연 이용자들의 연구에 활용되고 있다.

  참고로 중성자 산란 국제학회(ICNS 2017; International Conference on Neutron Scattering 2017)가 대전에서 2017년 7월 중 열릴 예정이며 이 학회의 프로그램 중 하나로 세계적 수준의 연구로인 하나로(HANARO)에 구축된 중성자 이용 연구시설을 세계 각국 연구자들에게 소개할 예정이다.

  ※ 출처
  http://blog.daum.net/jhr2580/4210
  http://swc.ornl.gov/about/news/trustees-approve-renaming-joint-institute-neutron-sciences.html
  https://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=PMC3526866_a-69-00037-fig12&req=4
  http://dl.dongascience.com/magazine/view/S199411N031
  http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1165882&cid=40942&categoryId=33488
  http://blog.naver.com/atomkaeri/60195731844

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