핵천이를 유발하는 자유 전자 레이저 :: Today

2009년에 일반 사용자들에게 이용 가능해진 이후, 하드 x-선 자유 전자 레이저(XFEL)는 많은 과학 분야의 연구에 사용되기 시작하였다. 이 장비는 길이가 매우 긴 킬로미터 정도이며 에너지가 1킬로-전자 볼트 이상을 낼 수 있는 이전에는 볼 수 없었던 매우 강력한 밝기의 빛을 발생시킨다. 그리고 이 빛의 펄스는 단지 수 펨토초에 해당하는 짧은 펄스이다. 그러나 지금까지 이렇게 밝은 펄스가 타깃 물질과 어떻게 상호작용하는지 완전히 알려지지 않고 있다. 핵 물리학에서, XFEL 빛은 직접적인 광여기를 통해서 핵과 강하게 상호작용할 것으로 예상되었다.

그러나 여기된 핵 상태에 대한 새로운 이론적 연구는 놀랍게도, XFEL 핵 상호 작용이 이차 메커니즘에 의해서 좌우된다는 것을 밝혔다. Physical Review Letters 저널에 기술된 바와 같이, 이런 간접적인 광여기 메커니즘은 수 백만 배 더 효율적이다. 이런 메커니즘은 레이저 유도된 플라즈마로부터 전자를 포획하는 것을 포함한다. 이 연구 결과는 여기된 핵이 핵 배터리로 역할을 하는 차세대 에너지 저장 응용에 유용할 것으로 보인다.

자유 전자 레이저는 x-선 생산에 매우 적합한 장비로서, 싱크로트론 소스보다 부피당 108개의 더 많은 포톤을 전달한다. XFEL의 놀라운 성능은 선형 입자 가속기에서 고품질의 매우 짧은 전자 다발을 기가 전자 볼트 에너지로 가속시킴으로써 얻어진다. 방사파는 주기적으로 자석이 정렬된 언줄레이터(undulator)를 통해 전자 다발이 지나갈 때 주기적인 가로진동으로부터 방출된다. 방사파는 전자 다발과 상호작용하며, 전자 다발의 밀도 변조를 발생시킨다.

이런 밀도 변조는 X-선 방출 프로세스를 향상시키며 레이저파를 발생시킨다. 현재 전세계적으로 세 개의 XFEL이 운영되고 있다. 미국의 LCLS, 일본의 SACLA 그리고 독일의 FLASH가 있다. 이런 장비는 매우 유용한 실험 데이터를 생산하고 있으며 사용자들이 점점 증가하고 있다. 중대한 연구 성과로는 지구 상에서 가장 뜨거운 플라즈마의 일부를 발생시킨 것과 첫 번째 원자 내부 껍질 X-선 레이저, 그리고 결정학에서 단백질 구조를 연구할 수 있게 한 것이다. 이런 연구에서, X-선은 원자 및 분자 프로세스를 이해하는데 중요한 기여를 하였다.

XFEL은 원자 물리 및 구조 생물학에서 혁신적인 역할을 하지만, 그것들은 또한 핵 물리 분야에서도 큰 기여를 할 수 있다고 독일 하이델베르크에 위치한 막스 플랑크 핵 물리 연구소의 Jonas Gunst는 말하였다. 그와 동료 연구진은 XFEL이 간접적으로 핵 이성질체(nuclear isomers)에서 핵과 원자 껍질을 결합시킴으로써 핵 여기 프로세스를 촉발시킨다는 것을 발견하였다. 이것은 예상하지 못한 결과였다. 핵 이성질체는 핵이 여기된 상태이며 동일한 개수의 중성자와 양성자를 가지고 있다. 이에 비해서 동위원소는 다른 개수의 중성자를 가진다. 이성질체 상태의 전형적인 반감기는 1피코초 정도이지만, 일부는 몇 시간도 지속된다.

이들 연구진에 따르면, 필요한 에너지를 방출하기 위해 이런 여기 상태를 야기하는 것은 가능하다고 한다. 연구진은 XFEL이 몰리브데늄의 이성질체 상태 중의 하나와 상호작용하는 것을 기술하였다. 이런 이성질체 상태의 여기 에너지는 2.5메가 전자 볼트이며 수명은 거의 7시간이다. 이성질체 준위의 핵 붕괴는 핵을 덜 안정적인 상태로 여기시킴으로써 향상될 수 있다. 덜 안정적인 상태는 이성질체 위의 중간 준위이다. XFEL에서 방출된 X-선은 이런 천이를 두 개의 다른 메커니즘을 통해서 수행할 수 있다.

첫 번째 메커니즘은 직접적인 것으로, XFEL 이 4.85 킬로 전자 볼트로 조율되면 X-선이 핵을 더 높은 여기 상태로 여기하는 것이다. 이렇게 여기된 상태에서 기저 상태로 급속히 붕괴되면 X-선과 감마선을 방출한다. 이런 직접적인 광여기 과정은 비교적 비효율적이다. 그 이유는 핵 천이의 에너지폭이 XFEL 스펙트럼의 폭보다 그 크기가 매우 작기 때문이다. 따라서 매우 작은 양의 레이저 포톤이 핵천이와 공명하게 된다.

이성질체의 에너지를 방출시키기 위한 두 번째 가능한 메커니즘은 간접적인 방법이다. 따라서 이 방법은 직접적인 것보다 덜 중요하다고 생각되었다. 이런 두번째 메커니즘은 전자 포획에 의한 핵 여기라고 불리며 공명 프로세스이다. 이 프로세스에서 XFEL 빛은 전자를 타깃 원자에서 제거시키고 이런 자유 전자들은 열 에너지가 수백 전자 볼트인 플라즈마를 형성한다. 이런 플라즈마에서 나온 전자는 원자 껍질의 빈 상태로 포획될 수 있다. 이런 포획된 전자는 잉여의 에너지를 핵 상태를 여기시키는데 사용될 수 있다.

1976년 처음 기술된, NEEC 프로세스는 별에서 가능한 핵 붕괴로 간주되고 있다. 그러나 이전에 싱크로트론 또는 브렘스트라룽(bremsstrahlung) 방사파로 행한 실험은 실험실에서 이런 현상을 만들어내기 위해서 필요한 포톤 밀도 또는 에너지를 가지지 못하였다. 아마, 새로운 XFEL 장비 중 하나에서 나온 빛은 플라즈마를 생성하기 위해 타깃에서 나온 전자들을 충분히 이온화시킬 수 있을 것이며 그것을 높은 온도로 올려 놓을 수 있을 것이다.

XFEL을 포톤의 소스로 가정하고, 연구진은 NEEC 프로세스를 통해서 간접적인 광여기가 적어도 직접적인 광여기 보다 여섯 자리 수가 더 컸다. 이렇게 큰 차이에 대한 이유 중의 하나는 4.85킬로 전자 볼트 천이의 직접적인 광여기와는 달리 NEEC 메커니즘은 공명 조건에 덜 민감하기 때문이다. 이와 같이 덜 민감한 이유는 포톤이 상호작용하는 광범위한 내부 껍질 전자들을 가지고 있기 때문이다. 더구나, 플라즈마는 XFEL 펄스보다 훨씬 더 오래 지속되고 따라서 직접적인 광 중재 여기에 비해서 전자 포획이 발생할 시간이 더 많기 때문이다.

이 연구 결과는 핵 에너지 저장의 새로운 분야를 열 수 있을 것이다. 과학자들은 수 년 동안 고 에너지 배터리에서 준안정적인 핵 이성질체를 사용할 수 있는지에 대해서 연구하고 있다. 보통 핵 반응 또는 조사(irradiation)를 통해서 생산되는 이성질체의 장점은 장기간 지속되는 핵폐기물 없이 핵 전력을 공급할 수 있다는데 있다. 그러나, 문제는 저장된 핵 에너지의 방출을 조절하는 것이다. 이들 연구진은 XFEL에서 나오는 빛이 핵 이성질체의 급격한 붕괴를 촉발할 수 있다는 것을 보여주었다. 이제 이런 프로세스가 크고 값비싼 장비를 필요로 한다는 점에서, 조만간 실질적인 에너지 저장 디바이스를 개발할 수 있지는 않을 것 같지만 이 새로운 연구는 다른 방법을 연구하는 시발점이 될 수 있을 것이다. 또 다른 응용은 의료 분야이다. 수명이 긴 이성질체는 핵 의료에서 치료 및 진단용으로 다양한 응용성을 가지고 있다.