국내 연구진이 순수 자체 연구 시설을 기반으로, 레이저가 만들어내는 플라즈마를 이용해 GeV(기가전자볼트 : 1억 전자볼트)의 에너지를 갖는 안정된 전자빔 가속을 달성해 세계적으로 화제를 모으고 있다. 이 연구결과는 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)' 9월호에 게재될 예정이며, 이에 앞서 지난 10일 웹사이트(http://www.nature.com/nphoton) 에 공개되었다.

광주과학기술원(GIST, 원장:선우중호) 고등광기술연구소(APRI, 소장:이종민) 이종민 교수팀은 레이저 웨이크필드 가속(Laser Wakefield Acceleration, LWFA) 기술을 이용해 전자를 1 GeV까지 가속하는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구의 성공으로 전통적인 대형 입자가속기 시설의 규모를 획기적으로 줄이면서 높은 에너지까지 안정되게 전자를 가속할 수 있는 탁상용 소형 전자가속기 등의 개발이 가능해 질 것으로 기대를 모으고 있다.

일반적인 전자빔 가속 기술과 달리 레이저 웨이크필드 가속 기술은 고출력 레이저 펄스를 이온화된 가스 상태인 플라즈마에 조사하여 레이저 펄스와 같은 방향으로 진행하는 플라즈마 파동을 발생시키고, 이 플라즈마 파동에 전자빔을 실어 가속시키는 원리이다.

이와 같은 레이저 웨이크필드 가속 기술을 이용할 경우 기존 시설보다 수천 배 이상 강한 전기장으로 전자빔을 가속할 수 있어 훨씬 작은 규모의 시설로도 GeV 이상의 높은 에너지까지 전자를 가속할 수 있다. 이번 연구에서는 약 1.5 x 1.2 m2의 크기를 갖는 소형 사각 챔버 내에서 1 GeV의 고에너지 전자빔을 발생시켰다. 기존의 대형 가속기 시설에서는 GeV 이상의 높은 에너지까지 전자를 가속시키기 위해 그 가속길이가 수백미터에서 수킬로미터까지 되어야 했다.

이번 연구에 주도적으로 참가한 나스르 하프즈(Nasr. A. Hafz, 고등광기술연구소 정규 선임연구원, 국적 이집트, 39세) 박사는 “이번 연구결과는 안정적으로 높은 에너지까지 전자를 가속할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다”면서 “앞으로 레이저 웨이크 필드 가속기술이 더욱더 연구?개발되면 테이블에 올려놓을 수 있을 정도의 소형 전자가속기 실용화가 가능해질 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

따라서, 레이저 웨이크 필드 가속 기술은 고에너지 물리 연구용 차세대 소형 가속기 개발 및 고에너지 전자빔을 이용한 X선 발생을 통해 물질의 내부 구조를 원자 및 분자수준에서 관찰할 수 있는 등 기초 연구에 널리 활용될 수 있다. 또한, 이 기술을 이용해 좁은 선폭의 단일 에너지 전자빔을 얻을 수 있어 응용은 더욱 더 확대될 것이다.

본 연구의 책임자이기도 한 이종민 소장은 “연구소 설립 7년만에, 국내에서 자체적으로 구축한 극초단 초고출력 레이저 시설을 이용해 이런 쾌거를 이루어 내 기쁨이 더욱 크다”면서, “내년에는 2 GeV이상의 고에너지를 갖는 안정된 전자빔 가속을 달성할 예정이며, 초강력 레이저를 이용한 다양한 응용연구도 활성화할 수 있도록 할 것”이라고 자신감을 내보였다.

한편, 국내 유일의 광과학기술 전문 연구소인 고등광기술연구소는 100 Terawatt(테라와트 : 100조 와트)급 극초단 초고출력 레이저 시설을 보유하고 있으며, 2010년을 목표로 국가대형연구시설인 1 Petawatt (페타와트 : 1000조 와트)급 극초단 광양자빔 연구시설 구축을 진행 중에 있다.