중력가속도보다 10^14배 빠른 전자

헬륨원자 레이저 쐰 전자

네이처 표지

물체에 힘이 작용하면 물체의 모양이나 운동 상태가 변한다. 따라서 에너지가 바뀐다. 모양이 변하는 건 탄성에너지, 속력이 변하는 건 운동에너지, 위치가 변하는 경우는 위치에너지가 변한다. 예를 들어, 공을 위로 높게 던지면 공의 위치가 올라갔다 내려오면서 위치에너지와 운동에너지가 변하는 식이다.

힘은 눈에 보이는 공 외에 아주 작은 세계에서도 작용한다. 로렌츠 힘이라 불리는 전자기력이 대표적인 사례. 이 힘은 전하를 갖고 있는 입자가 전자기장 안에서 받는 힘을 말한다. 1957년 발표된 네이처 논문은 로렌츠 힘에서 ‘폰더모티브력(ponderomotive force)’을 이끌어 냈다. 전기장이 균일하지 않을 때 전하를 띤 입자가 받는 힘을 계산한 것이다.

과학자들은 이 힘을 입자가속기 등에 쓰려고 연구해왔지만 한계가 있었다. 가속기는 전자나 양성자 같은 전하를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 힘을 얻는 장치인데, 폰더모티브력을 가속기에 쓸 만큼 큰 힘을 내지 못했기 때문이다.

하지만 독일 연구진이 그 가능성을 중성헬륨원자에서 찾았다. 연구진은 금주 ‘네이처’에 중성헬륨원자가 아주 짧은 시간인 펨토초(1000조분의 1초) 순간에 아주 강한 레이저 빛을 발산한다고 소개했다. 중성원자는 핵 주위에 있는 전자의 수가 핵 안에 있는 양자의 수와 같은 원자를 말한다.

이 빛은 헬륨원자에 있는 전자에 영향을 미쳐 전자가 폰더모티브력을 받게 한다는 점도 소개했다. 연구진은 “이 빛을 받은 전자는 지구의 중력가속도보다 1014배 빠르게 회전한다”며 “이런 강력한 힘은 화학반응을 조절하거나 응용물리학을 연구하는데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

출처: THE SCIENCE