안녕하세요 여러분 과학과 영성입니다 오늘은 하버드 기술과 응용과학 대학의 로버트 월리스 응용물리학 교수 페데리코 카파소 박사를 만나봅니다 수년 동안 카파소 박사는 원래 광통신을 전기신호와 공명터널 다이오드 초고속 트랜지스터 다른 반도체 장치로 처리하는 빛 센서인 광 포토 디텍터 같은 새로운 양자 장치에 대한 선구적인 작업으로 잘 알려져 있습니다

양자 케스케이드(ＱＣ) 레이저는 카파소 교수와 동료들이 １９９０년대 초에 개발한 기술혁신입니다 이 기술은 십억 분의 일만큼 극도로 민감하게 다양한 환경 속의 액체 증기 분자와 가스를 감지할 수 있는 중요한 응용을 가능하게 합니다 지구온난화가 가속화되고 있는 시대에 살고 있는 우리에겐 대기 중 이산화탄소를 측정할 도구가 필요합니다

수프림 마스터 텔레비전은 양자 장치 분야를 통해 카파소 박사의 분야를 살펴보고 이 도구들이 어떻게 우리 삶에 쓰일 수 있는지 알아보려고 박사와 인터뷰했습니다 카파소 박사가 자신의 배경을 간단히 설명합니다

７０년말 이탈리아에서 박사학위를 받았습니다 ９개월간 미국에서 특별 연구를 했습니다 수십 년간 세계에서 가장 주요한 공업 연구소의 명가 벨 연구소에 가기로 결정했습니다 노벨수상자가 ７명이죠 벨 연구소는 트랜지스터 레이저 팩스 피드백 회로 입체음향 등을 발명했습니다 전 거기서２７년간 일했습니다 １０년 동안 연구원이었고 이사가 됐습니다 ２년 동안 물리 연구의 부회장을 하면서 ２７년 근무가 끝나갈 무렵에 뭔가 다른 걸 할 시기라 생각했습니다 하버드로 와선 좋은 시간을 보내고 있어요

１９８０년대 초부터 과학자들은 아주 순수하게 만들어질 수 있는 반도체 덕분에 전자가 불순하게 산재되지 않는 ２차원과１차원 전자 시스템 양자 우물 공명하는 터널을 응용할 수 있게 되었습니다 이것은 원자적 정밀도와 고도의 물질 순도로 높은 결정체 품질의 얇을 층을 증식시킬 수 있는 강력한 결정체 증식법 분자선 에피탁시 덕분이었습니다

그래서 당시에 페데리코 카파소같은 과학 공학자들은 양자 물리학 교과서에서 가져온 추상적인 생각에 기초해 창의적인 양자 장치를 만들 자원이 있었습니다 그들 머리 속에만 있었던 전자 광 장치의 새로운 길도 탐구했습니다

근본적으로 양자역학 규칙을 사용한 겁니다 현대 연금술사라 여겨도 됩니다 양자역학 법칙을 사용해 제어된 방식으로 물질을 개조 증대시킬 수 있습니다

인공적 속성으로 물질을 창조합니다 양자 케스케이드 레이저는 레이저 물질의 새로운 종류를 만들어본 겁니다 양자역학 법칙에 영향을 미치기에 자연이 관련되지만 본질적으로는 남자와 여자가 숨겨진 설계자입니다 우리는 자연에서 찾을 수 없는 특별한 성질을 지닌 물질을 설계합니다

수십 년간 이중 헤테로 구조체 레이저 다이오드가 제작돼 왔으며 이 기술은 １９８０년대와 １９９０년대에 전세계 반도체와 통신산업을 크게 발전시켰습니다 독일 과학자 허버트 크뢰머 박사와 러시아 과학자 조레스 알페로프 박사는 반도체 이중접합 레이저와 초고속 기계공학에 쓰이는 기타 장치로 ２천 년에 노벨 물리학상을 받았습니다

１９９４년 카파소 교수와 벨 연구소 동료들은 레이저의 새로운 형태 양자 캐스케이드 레이저를 발명했는데 이는 계단을 흘러 내려오는 전자 워터폴로 묘사될 수 있습니다 각 단계에서 특정 주파수 광자가 방출됩니다
이 레이저의 또 다른 특징은 효율적인 대체 광원을 찾기 쉽지 않은 ３-１２마이크로미터 중적외선 파장대에서 주파수 방출은 광대 파장대를 넘어 변경될 수 있다는 점입니다 이는 중요한 분광대역인데 대부분 분자가 흡수와 발광 스펙트럼을 나타내 화학 분석용으로 사용이 가능하기 때문입니다

반도체 레이저는 본질적으로 항상 들어옵니다 ＤＶＤ로 음악을 들을 때 ＤＶＤ를 읽는 게 반도체 레이저입니다 통신에도 사용됩니다 반도체 레이저 없인 초고속 통신을 할 수 없습니다 초고속 케이블로 몇 분 안에 브리태니커 사전을 전송할 수 있는 초고속 통신은 불규칙적인 섬광을 방출하는 반도체 레이저 없인 불가능합니다 비트를 나타냅니다 반도체 레이저는 기본적으로 매우 단순한 원칙에 기초합니다

내보내는 주파수는 물질의 화학적 성질에 따라 변합니다 푸른 레이저를 원하면 갈륨 질화물을 선택하면 됩니다 그러나 텔레콤 용도로 쓸 눈에 보이지 않는 반도체 레이저를 원하면 물질을 바꾸고 복잡한 합금을 사용해야 합니다

인듐 갈륨 아비산염 인화물이라 불립니다 그래서 레이저 색을 바꾸려면 물질을 바꿔야 합니다

카파소 교수는 양자 케스케이드 레이저가 레이저 디자인의 큰 진보라고 말합니다

기본적으로 주파수는 물질 변화가 아닌 활성 영역 안의 아주 얇은 층의 두께를 변화시켜 조절합니다 활성 영역은 레이저 빛을 내보내는 곳입니다 주로 중적외선 스펙트럼을 덮기 위해 디자인됐습니다 이 스펙트럼에서 분자들은 숨길 수 없는 흡수 지문을 갖습니다 일산화탄소 이산화탄소 물 같은 분자들을요 중적외선은 눈에 안 보이는 주파수를 이용해 분자를 탐지하기에 잠재적으로 중대한 과학기술 분야입니다

이 레이저들은 기체에서 매우 낮은 농도ＰＰＢ를 대량으로 탐지합니다 그건 좋은 가스일수도 나쁜 독성 가스일 수도 있습니다 그래서 이 레이저의 응용 범위가 넓은 겁니다

잠시 후 과학과 영성에서 양자 케스케이드 레이저가 어떻게 대기 중 오염물질을 측정하는 도구가 될 수 있는 지 알아볼 테니 채널 고정해 주세요

과학과 영성입니다 카파소 교수님으로부터 양자 캐스케이드 레이저 발명에 대해 듣고 있습니다 이 레이저는 중적외선 영역에서 간섭광을 방출하는데 이곳에서 많은 가스와 액체 분자들은 특징적인 흡수 스펙트라를 갖습니다 십 억 분의 한 분자도 이 새로운 레이저 광원을 이용하면 다양한 환경에서 감지될 수 있습니다 이제 카파소 교수가 양자 케스케이드 레이저에 대해 이야기합니다

이건 양자 케스케이드 레이저의 중심입니다 보다시피 매우 얇은 이 층을 조절해서 단면을 보고 있습니다 케이크나 샌드위치 단면도를 보세요 이건 샌드위치 층입니다 전기를 넣으면 됩니다 이건 파란 화살이고 전류의 단위인 전자가 이 에너지 계단을 내려옵니다 매 단계에서마다 광자를 방출합니다 전자가 에너지 계단을 가로지르면 전자당１０-２０개의 광자가 나옵니다 매우 강력한 레이저입니다

저희는 지금 캘리포니아 기업 프라나리티카와 협력해서 중적외선 주파수의 계속적인 전파에서 ３와트의 전력을 배출하는 아주 강력한 레이저를 만들었습니다

카파소 박사가 현실생활에서의 레이저 용도에 대해 말합니다

이것은 포드사와 합작한 훌륭한 작업입니다 우린 자동차에서 일산화탄소와 질소 등 나쁜 가스가 많이 나오는 걸 막고자 했습니다

이제 미래에는 기후 오염 문제가 더욱 심각해지기에 적어도 미국에선 이런 법률의 제정이 엄격해 질 겁니다 그래서 우리는 자동차 배기가스를 １０억 분의１까지 측정할 수 있길 기대하고 있습니다 이것도 훌륭한 응용 경우입니다 우리는 여기 하버드에서 대기화학 분야 선두자 진 앤더슨 교수와 협력하고 있습니다 그는 오존구멍을 위한 몬트리올 의정서를 쓰는데 도움을 줬습니다 우리는 작은 가스 밀집상태를 측정하려고 성층권과 높은 대기권에 레이저를 보내기 시작했습니다

이것들은 제트기류를 만드는 메탄가스 같습니다 만일 이런 가스의 높이와 밀도를 측정할 수 있으면 제트기류 진행방향을 결정할 수 있습니다 사실 이런 것들은 ＮＡＳＡ 미 항공우주국과 협력해서 했습니다 이것은２만 킬로까지 갈 수 있는 항공기입니다 우리의ＱＣ레이저는 여기 바로 날개 밑에 있어서 비행기가 상승 하강하면서 １０억 분의１까지 메탄 밀도를 측정했습니다

우리는 기후를 이해해야 합니다 이것은 아주 심각한 문제입니다 예를 들어 이 모델은 지구 온난화로 인한 해수면 상승이 그린란드에 끼치는 영향을 보여줍니다 이것이 그린란드가 녹는 시나이오입니다 ３미터 해수면 상승은 심각합니다

기후는 대기 안 작은 가스들의 밀집에도 영향 받습니다 그래서ＱＣ레이저를 보내는 겁니다 이것은 ＵＡＶ로 무인교통수단입니다 운전사가 없습니다 ＱＣ레이저는 여기에서 아주 작은 가스 밀집도를 측정해서 이것이 기후에주는 영향을 이해하고 조사합니다 결국 우리는 기후를 예측하는 모델이 필요한데 이런 측정이 도움됩니다

양자 케스케이드 레이저는 더 나은 세상을 만드는데 다방면에서 도움됩니다 특히 기후 변화 분야에서 도움됩니다 고도의 기술 발전을 도운 카파소 교수의 통찰력에 감사를 표합니다 다음 주 월요일 ２부에서는 카파소교수가 심원한 카지미르 립슈츠 효과를 이야기하니 다음 주에도 우리와 함께 해 주세요 수프림 마스터 텔레비전에서 이제 주목할 뉴스와 지혜의 말씀이 방영됩니다 여러분 삶에 신의 사랑과 평안 빛이 깃들길 기원합니다