1초에 10억 회나 도는 나노 회전장치가 만들어졌다. 이전 기록에 비해 100배나 빠른 회전체다. 연구자들은 이런 나노 회전체가 나노미터 수준에서 물질의 성질을 측정하는 데 쓰이거나, 더 나아간다면 진공 상태에서 일어나는 양자역학의 물리현상을 측정하는 데에도 쓰일 수 있으리라고 기대한다.

미국물리학회(APS)가 운영하는 물리학 전문매체 <피직스(Physics)>의 최근 보도를 보면, 스위스 취리히 연방공과대 연구진과 미국 퍼듀대학의 연구진은 각자 독자적으로 나노물질을 고진공 상태에서 레이저 빛으로 공중에 띄우고서 1초에 10억 번 회전(분당회전수 600억 RPM)시키는 회전장치를 개발해 <피지컬 리뷰 레터스>에 따로 나란히 발표했다.

미국 퍼듀대학 연구진(통캉 리 교수)에는 이 대학 대학원생인 안종훈 연구원이 제1저자로 참여했다. 안 연구원은 “레이저 집게(용어설명 참조)를 이용해 작은 입자를 공기 중이나 진공 환경에서 관찰해 다른 조건에서는 발견하기 힘든 물리현상을 찾으려는 연구 분야는 오래 되지 않은 신생 분야인데, 독립적인 두 연구진에서 우연히 같은 결과가 비슷한 시점에서 발견됐다”고 말했다.

두 연구진이 개발한 1초당 10회의 나노 회전장치는 2013년 영국 세인트앤드루스대학 연구진이 탄산칼슘 입자를 공중에 띄워 1초당 1000만 회 회전시킨 당시 최고 기록(<네이처 커뮤니케이션스>에 발표)보다도 100배 빨라, ‘세상에서 가장 빠른 회전장치’로 기록됐다.

연구진은 레이저의 광학적 성질을 이용해 실리카(SiO2) 나노입자를 고진공 상태에서 공중에 띄운 다음에 빠르게 회전시켰다. 진공 환경에서도 마찰을 일으킬 수 있는 다른 입자들을 최소로 줄이는 고진공 상태를 유지하고 나노입자를 회전체로 이용함으로써 빠른 회전 속도를 구현했다.

이 장치에서 레이저의 역할은 중요했다. 레이저는 나노입자를 붙들어두는 ‘집게’로 쓰였으며, 또한 나노입자를 회전시키는 회전 전기장으로도 이용됐다. 안 연구원은 “레이저를 이용하는 이른바 ‘광 집게’(optical tweezers)는 이미 널리 쓰이는 기술인데, 레이저 빛을 아주 작은 초점에 모아 입자와 그 주변의 굴절률 차이로 인력이나 척력을 발생시킴으로써 입자를 붙들어두는 장치로 사용됐다”고 말했다. 그는 나노입자 회전의 원리와 관련해서는 “레이저로 나노입자를 공중부양 하고 난 뒤에 레이저의 원 편광(회전 전기장, 용어설명 참조)을 이용해 나노입자를 회전시킬 수 있었다”고 말했다.

거시계인 전투기의 제트 엔진에서는 회전속도가 1초당 1000회를 넘기 어려운데, 원심력이 커지면 회전체 자체가 파손될 수 있기 때문이다. 1초당 10억 회로 회전할 때에도 엄청난 원심력이 생기지만 나노입자가 워낙 작아 나노미터 세계에선 이런 회전 속도가 구현될 수 있었다.

‘세상에서 가장 빠른 회전장치’라는 기록을 세웠지만, 이런 극한의 회전장치가 당장 어떤 용도로 쓰일지는 아직 확실하게 제안되지는 않았다. 스위스 연구진은 <피직스>에서 “그저 세계에서 가장 빠른 회전장치가 우리 눈앞에 있다는 것만으로도 대단한 일”이라고 말했다. 미국 연구진은 나노물질이 극한의 원심력에 얼마나 견디는지를 측정하는 용도로 쓰이거나, 민감한 센서로 활용될 수도 있을 것이라는 기대를 나타냈다. 더 발전한다면, ‘세상에서 가장 빠른 회전장치’라는 이름값을 빛나게 해줄 분야는 아무래도 양자역학 측정인 듯하다.

안 연구원이 통캉 리 교수 연구진을 대신해 후속연구 계획에 관해 <한겨레>에 이렇게 말했다.

극한의 회전장치가 진공에 존재했다가 사라지는 진공장의 가상입자와 마찰을 일으키고 그 영향을 가시적으로 측정할 수 있다면 ‘진공마찰’ 또는 진공의 양자현상을 보여주는 훌륭한 실험도구가 될 수도 있으리라는 것이다.

오철우 선임기자 cheolwoo@hani.co.kr