펨토초 레이저

A 펨토초 레이저약 1기가초의 초단시간 동안만 빛을 방출하는 "초단파 펄스광" 발생 장치입니다. Fei는 국제 단위계의 접두사인 Femto의 약자로 1펨토초 = 1×10^-15초입니다. 소위 펄스 광은 순간적으로만 빛을 방출합니다. 카메라 플래시가 발광하는 시간은 약 1마이크로초이므로 펨토초의 초단파 펄스광은 그 시간의 약 10억분의 1만 발광한다. 우리 모두가 알다시피 빛의 속도는 유례없는 속도로 초속 30만km(지구를 1초에 7바퀴 반)이지만 1펨토초에 빛도 0.3미크론만 전진합니다.

종종 플래시 사진을 사용하면 움직이는 물체의 순간적인 상태를 잘라낼 수 있습니다. 마찬가지로 펨토초 레이저를 비추면 격렬한 속도로 진행되더라도 화학 반응의 모든 조각을 볼 수 있습니다. 이를 위해 펨토초 레이저를 사용하여 화학 반응의 신비를 연구할 수 있습니다.
일반적인 화학 반응은 소위 "활성화된 상태"라고 불리는 고에너지의 중간 상태를 거친 후 수행됩니다. 활성 상태의 존재는 이미 1889년에 화학자 Arrhenius에 의해 이론적으로 예측되었지만 매우 짧은 시간 동안 존재하기 때문에 직접 관찰할 수 없습니다. 그러나 그 존재는 1980년대 후반에 펨토초 레이저에 의해 직접적으로 입증되었는데, 이는 펨토초 레이저로 화학 반응을 정확히 찾아낼 수 있는 방법의 한 예입니다. 예를 들어, 사이클로펜타논 분자는 활성화된 상태에 의해 일산화탄소와 2개의 에틸렌 분자로 분해됩니다.
펨토초 레이저는 이제 물리학, 화학, 생명 과학, 의학 및 공학과 같은 광범위한 분야, 특히 빛 및 전자 분야에서도 사용됩니다. 빛의 세기는 많은 양의 정보를 손실 없이 한 곳에서 다른 곳으로 전달할 수 있어 광통신 속도를 더욱 높일 수 있기 때문이다. 핵물리학 분야에서 펨토초 레이저는 큰 영향을 미쳤습니다. 펄스광은 전기장이 매우 강하기 때문에 1펨토초 이내에 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있어 전자를 가속시키는 '가속기'로 사용할 수 있다.

의학에서의 응용
위에서 언급했듯이 펨토초 세계에서는 빛도 얼어서 멀리 갈 수 없지만, 이 시간 규모에서도 컴퓨터 칩 내부의 원자, 물질 분자, 전자는 여전히 회로에서 움직이고 있습니다. 펨토초 펄스를 사용하여 즉시 중지할 수 있다면 어떤 일이 발생하는지 연구하십시오. 펨토초 레이저는 깜박이는 시간 외에도 직경이 200나노미터(밀리미터의 2/10,000)만큼 작은 금속에 작은 구멍을 뚫을 수 있습니다. 즉, 짧은 시간 안에 압축되어 내부에 고정되는 초단파 펄스광이 초고출력의 놀라운 효과를 얻을 수 있으며 주변에 추가적인 피해를 주지 않습니다. 또한, 펨토초 레이저의 펄스 광은 물체의 매우 미세한 입체 이미지를 촬영할 수 있습니다. 입체영상은 의학적 진단에 매우 유용하여 광간섭 단층촬영이라는 새로운 연구 분야를 개척하고 있습니다. 펨토초 레이저로 촬영한 생체조직과 생체세포의 입체영상입니다. 예를 들어, 매우 짧은 펄스의 빛이 피부를 겨냥하고 펄스된 빛이 피부 표면에서 반사되고 펄스된 빛의 일부가 피부에 주입됩니다. 피부 내부는 여러 층으로 구성되어 있으며, 피부에 입사한 펄스광은 작은 펄스광으로 반사되어 반사광에서 이러한 다양한 펄스광의 메아리로 피부 내부 구조를 알 수 있다.
또한 이 기술은 눈 깊은 곳의 망막을 입체영상으로 촬영할 수 있어 안과에서도 활용도가 높다. 이를 통해 의사는 조직에 문제가 있는지 진단할 수 있습니다. 이러한 유형의 검사는 눈에만 국한되지 않습니다. 광섬유로 레이저를 체내에 보내면 체내 여러 장기의 조직을 모두 검사할 수 있고, 향후 암이 되었는지 여부도 확인할 수 있다.

초정밀 시계 구현
과학자들은 다음과 같이 믿습니다.펨토초 레이저시계는 가시광선을 이용하여 만들어지기 때문에 원자시계보다 더 정확하게 시간을 잴 수 있고, 앞으로 몇 년 동안 세계에서 가장 정확한 시계가 될 것입니다. 시계가 정확하면 자동차 내비게이션에 사용되는 GPS(Global Positioning System)의 정확도도 크게 향상됩니다.
가시광선이 정확한 시계를 만드는 이유는 무엇입니까? 모든 시계와 시계는 추와 기어의 움직임과 떼려야 뗄 수 없는 관계로, 정확한 진동 주파수로 진자의 진동을 통해 기어는 몇 초 동안 회전하며 정확한 시계도 예외는 아니다. 따라서 보다 정확한 시계를 만들기 위해서는 진동 주파수가 높은 진자를 사용해야 합니다. 석영 공진기가 초당 더 많이 진동하기 때문에 석영 시계(진자 대신 수정으로 진동하는 시계)는 진자 시계보다 정확합니다.
현재 시간 표준이 된 세슘 원자시계는 약 9.2GHz(국제 단위 기가의 접두사, 1기가 = 10^9)의 주파수로 진동합니다. 원자 시계는 세슘 원자의 고유 진동 주파수를 사용하여 진자를 동일한 진동 주파수의 마이크로파로 대체하며 그 정확도는 수천만 년에 불과 1초입니다. 반면 가시광선은 마이크로파보다 10만~100만배 높은 진동수를 갖고 있다. 즉, 가시광선 에너지를 이용하여 원자시계보다 수백만 배 더 정확한 정밀시계를 만든다. 가시광선을 사용하는 세계에서 가장 정확한 시계가 이제 실험실에서 성공적으로 구축되었습니다.
이 정확한 시계의 도움으로 아인슈타인의 상대성 이론을 확인할 수 있습니다. 우리는 이 정밀한 시계 중 하나를 실험실에, 다른 하나를 아래층 사무실에 두었습니다. 무슨 일이 일어날지 생각하고 한두 시간 후에 결과는 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측한 대로였습니다. " 층 사이에서 두 시계는 더 이상 같은 시간을 가리키지 않고 아래층 시계는 위층 시계보다 느리게 갑니다. 더 정확한 시계를 사용하면 손목과 발목의 시간도 그날 다를 수 있습니다. 정확한 시계 덕분에 상대성 이론의 마법을 경험할 수 있습니다.

광속 감속 기술
1999년 미국 허바드 대학의 레이너 하우 교수는 빛을 자동차가 따라갈 수 있는 속도로 초속 17미터까지 감속한 후 자전거도 따라잡을 수 있는 정도로 감속하는 데 성공했다. 이 실험은 물리학에서 가장 최첨단 연구를 포함하며 이 기사에서는 실험의 성공을 위한 두 가지 핵심만 소개합니다. 하나는 절대 영도(-273.15°C)에 가까운 극도로 낮은 온도에서 나트륨 원자의 "구름"을 만드는 것입니다. 이는 보스-아인슈타인 응축물이라고 하는 특수한 기체 상태입니다. 다른 하나는 진동 주파수를 변조하는 레이저(제어용 레이저)로 나트륨 원자 구름을 조사하여 결과적으로 놀라운 일이 발생합니다.
과학자들은 먼저 제어 레이저를 사용하여 원자 구름에서 펄스 광을 압축하고 속도가 극도로 느려집니다. 이때 제어 레이저는 꺼지고 펄스광은 사라지고 펄스광에 실린 정보는 원자 구름에 저장된다. . 그런 다음 제어 레이저로 조사되고 펄스 광이 복구되어 원자 구름에서 나옵니다. 따라서 원래 압축된 펄스가 다시 늘어나 속도가 복원됩니다. 펄스광 정보를 원자구름에 입력하는 전 과정은 컴퓨터에서 읽고, 저장하고, 재설정하는 것과 유사하기 때문에 이 기술은 양자컴퓨터 구현에 도움이 된다.

"펨토초"에서 "아토초"로의 세계
펨토초우리의 상상을 초월합니다. 이제 우리는 펨토초보다 짧은 아토초의 세계로 돌아왔습니다. A는 SI 접두사 atto의 약어입니다. 1 아토초 = 1 × 10^-18초 = 펨토초의 천분의 일. 펄스를 줄이기 위해 더 짧은 파장의 빛을 사용해야 하기 때문에 가시광선으로 아토초 펄스를 만들 수 없습니다. 예를 들어 적색 가시광선으로 펄스를 만드는 경우 해당 파장보다 짧은 펄스를 만드는 것은 불가능합니다. 가시광선은 약 2펨토초의 한계를 가지며 아토초 펄스는 더 짧은 파장의 X선 또는 감마선을 사용합니다. 아토초 X선 펄스를 사용하여 미래에 무엇을 발견할지는 불분명합니다. 예를 들어, 아토초 플래시를 사용하여 생체 분자를 시각화하면 극히 짧은 시간 단위로 이들의 활동을 관찰하고 생체 분자의 구조를 정확히 찾아낼 수 있습니다.