빛을 멈추게 했다가 다시 진행시킬 수 있게 되면서 물리학의 새로운 분야가 열리고 있다. 하버드 대학 물리학 교수인 린 호우와 하바드-스미스소니안 센터의 천체물리학 의 론 월스워쓰 박사가 이끄는 두 팀은 빛을 멈추게 하는 새로운 기술을 개발했다.
“그것은 정말 매우 흥미로운 물리학이다.”라고 시드니 대학의 광학 전문 이론 물리학자인 마티진 드 스터크는 말했다.
진공상태에서 빛의 속도는 297,873km/sec이다. 빛이 빠른 이유는 빛의 입자인 광자가 무게가 없기 때문이다. 그러나 광자는 한잔의 물처럼 어떠한 투명한 매질을 지나가면 느려지는데 그것은 유리와 물 모두가 공기보다 높은 굴절률을 갖기 때문이다.
굴절률은 빛을 휘게 만든다. 그것이 우리가 유리 렌즈로 빛을 모을 수 있는 이유이다. 빛을 멈추게 하는 실험은 광자에 대한 굴절률 효과의 극단적인 예이다. 월스워쓰 교수 팀은 레이저 빔을 멈추게 하기 위해 따뜻한 루비듐 증기를 사용했고 호우 교수 팀은 초 냉각 나트륨 가스를 사용했다.
그 실험에서 굴절률과 표준 굴절율(예를 들어 유리의 굴절률) 사이의 차이는 거의 6의 차수를 갖는다. “빛이 통과 하는 물질은 반드시 완전히 순수해야 한다. 모든 루비듐 원자와 나트륨 원자는 똑같기 때문에 완전히 순수하다.”라고 드 스터크 박사는 말했다.
정상적인 환경에서 만일 광자가 원자를 때리면 원자는 여기 상태가 된다. 여기 상태의 원자는 다시 바닥상태로 되돌아 오면서 에너지와 빛을 다시 방출하는 재 복사과정에 의해 빛을 산란한다. 원자는 빛을 흡수하지 않는다.
“만일 당신이 굴절률이 높은 매질을 통해 빛이 지나가도록 한다면 효과는 일어나지 않는다.이 경우에 빛은 흡수되고 잠시동안 거기에 머물게 되어 속도가 줄어든다. 그러나 그것은 착각이다. 우리가 실험에 사용한 것은 특별히 제조된 원자이기 때문에 동일한 빛이 들어가고 재 복사된다.”라고 드 스터크 박사는 설명했다.
드 스터크 박사는 몇 년 전에 원자보다 더 나은 광섬유를 사용하여 빛의 속도를 줄이려고 했었다. 비록 그의 팀이 두 가지 인자에 의해 빛의 속도를 줄였지만 결함이 없는 광섬유를 설계하는 어려움은 극복하지 못했다.
호우 박사의 연구에는 온도를 낮추는데 다량의 에너지를 필요로 한다. 그러나 드 스터크 박사의 실험은 상온에서 수행되었다. “상온에서 빛의 속도를 낮춘다는 사실은 대단한 진전이다. 그러나 높은 압력에서의 연구는 또 다른 형태의 문제를 안고 있다.”라고 드 스터크 박사는 말했다.
광자를 다룰 수 있다는 견지는 물리학자들에게는 매우 흥미 있는 일이다. “광자는 순간 사라져 버릴 수 있다. 또한 광자는 임의의 양으로 생성되고 임의의 양으로 사라질 수 있기 때문에 다루기 어렵다. 이렇게 빛을 다룰 수 있게 하는 공정, 특히 그것의 속도를 낮출 수 있다면 당신은 광자를 특별한 위치에 일시 보관했다가 후에 다시 끌어낼 수 있을 것이다.”라고 드 스터크 박사는 말했다.
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