감마 레이 레이저와 함께 미래를 열다

우주가 우리와 동일하거나 다른, 더 많은 우주가 존재할 수 있을까요? 아직은 알 수 없습니다.  

주요 개념이면서도 MCU에서 눈에 띄는 스티븐 호킹의 다중우주 이론은, 모든 우주가 자체적인 공간, 시간, 물질, 에너지 및 물리 법칙을 가지고 있다는 가설적인 집합으로, 아직 입증되지 않았으며 영화와 이론 물리학의 영역에만 존재합니다.

우리가 입증해야 할 것은 양자 장치입니다. 이는 양자 역학 효과를 이용해 작동하는 시스템으로, 양자 상호작용을 제어하고 조작하여 고전 시스템에서는 불가능한 기능을 달성합니다.

물리학에서 양자(복수형인 quanta의 단수형)는 모든 물리적 실체의 최소 단위입니다. 예를 들어, 빛의 양자는 광자입니다.

이제 우주의 신비를 밝히기 위해서는 특정 양자 장치, 즉 감마 레이 레이저가 필요합니다.

이 가설적인 장치는 일반 레이저가 가시광선의 일관된 광선을 생성하듯, 일관된 감마선을 생성할 수 있습니다. 감마선(기호 γ)은 원자핵의 방사성 붕괴와 같은 고에너지 상호작용에서 발생하는 침투성 전자기 복사 형태이며, 태양 플레어와 같은 천문 현상에서도 발생합니다. 

감마선은 X선보다 짧은 파장을 가진 가장 짧은 파장의 전자기파이며, 주파수는 30 엑사헤르츠 이상, 파장은 10 피코미터 미만입니다. 감마선 광자는 모든 전자기 복사 형태 중 가장 높은 광자 에너지를 가집니다.

몇 년 전, 과학자들이 감지한 최고 에너지 감마선은 20 테라 전자볼트로, 가시광선 에너지의 약 10조 배에 해당하며, 펄서라는 죽은 별에서 나왔습니다. 

지난해 말, 천체물리학자들은 포착한 초대질량 블랙홀 M87에서 발생한 감마선 플레어 이미지를 공개했습니다.

이미지 출처: University of California

올해 초, 다중 센서를 이용한 강렬한 감마선 플래시가 두 번개 리더 충돌 시¹ 관측되었습니다. 이는 지상 감마선 플래시(TGF)가 번개 방전과 동시 발생한 최초 사례였습니다.

다양한 우주 현상에서 관측되는 감마선은 또한 특정 실험을 통해 활발히 연구되고 생성되고 있습니다.

감마 레이 레이저 실험 및 실현 가능성 연구

감마선은 고에너지 전자기 복사의 한 형태로, 높은 침투력을 가지고 있으며 다양한 분야에서 여러 장점을 제공합니다. 

잠재적인 응용 분야로는 의료 영상, 우주선 추진, 암 치료, 그리고 성간 여행이 포함됩니다. 그 가능성이 방대함에 따라 전 세계 과학자들은 일관된 감마선을 생성하는 감마 레이 레이저, 즉 그라서(graser)를 만들기 위해 연구하고 있습니다. 

로체스터 대학교의 과학자들은 연방 자금을 받아 일관된 광원에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

1980년대에 로체스터 대학교의 Gérard Mourou와 Donna Strickland는 레이저 피크 파워를 증가시키는 기술인 chirped pulse amplification(CPA)을 발명했으며, 이 공로로 2018년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그러나 감마선을 생성하는 레이저 개발은 아직 달성되지 않았습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 밀집된 전자 뭉치가 강한 레이저 장과 충돌할 때 방출되는 복사의 일관성 특성을 조사하고 있으며, 이는 일관된 감마선을 생산하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

“일관된 감마선을 만들 수 있는 능력은 새로운 종류의 광원을 창조하는 과학적 혁명이 될 것이며, 가시광선 및 X선 광원의 발견과 개발이 원자 세계에 대한 우리의 근본적인 이해를 바꾼 것과 유사합니다.”“

– 연구 책임자 Antonino Di Piazza & 물리학 교수

전자와 레이저가 상호작용하여 고에너지 빛을 방출하는 방식을 연구하기 위해, 연구자들은 먼저 한두 개의 전자가 빛을 방출하는 방식을 살펴보고, 이후 다수의 전자가 일관된 감마선을 생성하는 복잡한 상황을 조사할 예정입니다. 

“우리는 처음으로 감마선을 이런 방식으로 만들려는 과학자들은 아닙니다,” 라고 Di Piazza는 당시 말했습니다. “하지만 우리는 완전한 양자 이론, 즉 양자 전기역학을 사용하여 이 문제에 접근하고 있습니다.“

감마 레이저 개발에 대한 또 다른 접근법은 핵 이성자(동위원소) 여기입니다. 

몇 달 전 발표된 연구 논문²은 특정 동위원소의 핵을 더 높은 에너지 상태로 여기하는 방법을 제시했습니다. 중성자 폭격을 이용해 이성자 핵을 메타안정 상태로 여기고, 이후 감마선의 자극 방출을 유도하여 핵에서 일관성을 달성합니다.

그들의 새롭고 “다소 비전통적인” 방법은 중성자 폭격 중에 결정 격자를 이동시켜 ‘그라서 딜레마’를 해결하려 합니다. 

“이 기술은 레이저 무기 등 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 매우 강력한 레이저를 만들 잠재력을 가지고 있습니다,” 라고 조지 베코프스키 불가리아 공군 아카데미 항공 장비 및 기술 부서의 Yordan Katsarov가 언급했습니다.

현재 콜로라도 대학교 덴버 캠퍼스의 과학자들은 감마 레이 레이저를 잠재적으로 구현할 수 있는 칩을 개발했습니다.

이 획기적인 양자 장치는 손에 쥘 수 있을 정도로 작으며, 이전에 거대한 입자 충돌기에서만 가능했던 극한 전자기장을 생성할 수 있습니다. 이 손가락 크기의 칩은 향후 수 마일에 달하는 입자 충돌기를 대체하고, 우주의 깊은 신비를 풀며, 다중우주 이론을 검증하고, 원자 수준에서 암세포를 파괴하는 강력한 감마 레이 레이저를 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

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작은 칩이 감마 레이저 꿈을 현실에 가깝게 만든다

Advanced Quantum Technologies(양자 과학, 재료 및 기술에 대한 이론 및 실험 연구를 다루는 저널)에 발표된 최신 연구³가 6월 호 표지에 실렸습니다.

연구에 따르면, 플라스몬을 이용해 전자기 에너지를 나노미터 수준으로 구속하는 것이 가능하다고 합니다.

플라스몬은 플라즈마 진동의 양자로, 플라즈마나 금속 내 전자 밀도의 빠른 진동을 의미합니다. 이러한 준입자는 전도대 전자 가스의 집단 진동에 의해 형성됩니다. 

“극한 플라스몬은 전례 없는 가능성을 열어줍니다. 페타볼트 퍼 미터(PV/m) 수준의 전기장을 접근할 수 있게 하며, 이는 입자 물리학 및 광자 과학 등 대규모 전자기 에너지의 나노미터 구속을 통해 새로운 광범위한 가능성을 열어줍니다,” 라고 연구는 언급했습니다.

따라서 연구자들은 양자 동역학 프레임워크를 기반으로 이 종류의 플라스몬에 대한 분석 모델을 개발했습니다.

이 최신 돌파구는 콜로라도 대학교 덴버에서 이루어졌으며, 물리와 화학에 대한 우리의 이해를 혁신하려는 목표를 가지고 있습니다.

“이 기술은 새로운 연구 분야를 열어줄 것이며, 세계에 직접적인 영향을 미칠 것입니다.”

– CU Denver 전기공학 조교수 Aakash Sahai

Sahai는 그의 연구실 학생인 Kalyan Tirumalasetty와 함께, 과학 소설을 현실로 바꾸는 새로운 도구를 과학 공동체에 제공하는 데 한 걸음 더 다가가고 있습니다.

“과거에 우리는 레이저, 컴퓨터 칩, LED와 같은 하위 원자 구조에서 비롯된 기술 혁신을 경험했습니다. 이 혁신은 물질 과학에 기반을 두고 있으며, 같은 맥락이라고 할 수 있습니다,” 라고 Sahai는 덧붙였습니다. 그는 Duke University에서 플라즈마 물리학 박사 학위를, Stanford University에서 전기공학 석사 학위를 받았습니다.

이번 연구에서 달성된 것은 이전에 실험실에서 불가능했던 극한 전자기장을 만드는 방법입니다.

이러한 전자기장은 우리 컴퓨터 칩부터 초고에너지 입자 충돌기에 이르기까지 모든 것을 구동합니다. 이는 입자들을 매우 높은 에너지로 가속하고 충돌시켜 물질, 에너지, 초기 우주에 대한 통찰을 얻기 위함입니다. 

재료 내 전자가 매우 높은 속도로 진동하고 튀어오를 때 이러한 전자기장이 생성됩니다.

하지만 이러한 강력한 전자기장을 만들기 위해서는 거대하고 비용이 많이 드는 시설이 필요합니다.

예를 들어, 암흑 물질을 연구하는 과학자들은 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 하드론 충돌기(LHC)를 사용합니다. LHC는 스위스에 위치한 세계 최대 입자 물리 실험실이며, 16.7마일(27km) 길이의 초전도 자석 고리와 여러 가속 구조를 포함해 입자 에너지를 증폭합니다.

이러한 규모의 실험을 수행하려면 막대한 자원이 필요합니다. 비용이 많이 들 뿐만 아니라 변동성이 높습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Sahai의 연구실은 실리콘(Si) 기반의 칩 형태 물질을 제작했으며, 크기는 엄지손가락 정도입니다.

실리콘은 반도체로, 불순물(도핑)을 첨가해 전기 전도성을 조절할 수 있으며, 휴대폰 및 자율주행차 등에 사용되는 마이크로칩을 제조하는 데 쓰입니다.

이 새로운 칩 형태 물질은 고에너지 입자 빔을 견디고 에너지 흐름을 제어할 수 있습니다. 또한 양자 전자 가스의 진동이나 진동에 의해 생성되는 전자기장에 접근할 수 있게 해줍니다. 이 모든 것이 작은 공간에서 이루어집니다.

빠른 진동(진동)은 전자기장을 생성하고, Sahai의 기술은 진동으로 발생하는 열 흐름을 관리하여 샘플을 안정적이고 온전하게 유지하도록 합니다.

“이러한 고에너지 흐름을 제어하면서 물질의 기본 구조를 보존하는 것이 돌파구입니다. 이 기술은 세상을 실제로 변화시킬 수 있습니다. 자연의 작동 방식을 이해하고 그 지식을 활용해 세상에 긍정적인 영향을 미치는 것이 목표입니다.”

– Tirumalasetty

그들의 기술은 장거리 충돌기를 칩 크기로 축소하고, 과학자들이 이전에 볼 수 없었던 활동을 관찰할 수 있게 할 잠재력을 가지고 있습니다.

대학은 이미 미국 및 국제적으로 해당 기술에 대한 임시 특허를 신청하고 획득했습니다.

하지만 이 기술의 실용적이고 실제적인 응용은 실현까지 수년이 걸릴 것입니다. 

사실, 이 기술의 기반 작업은 7년 전인 2018년에 Sahai가 반물질 가속기에 관한 연구를 발표하면서 시작되었습니다. 그는 이렇게 말했습니다:

“시간이 좀 걸리겠지만, 제 생애 안에서는 매우 가능성이 높습니다.”

그렇지만, 이는 우주의 근본적인 규모에서 작동 방식을 더 잘 이해하고 삶을 개선하는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다. Sahai가 언급했듯이, 이는 감마 레이 레이저를 현실화할 수도 있습니다.

“우리는 조직의 영상을 핵 수준이 아니라 원자 수준까지도 촬영할 수 있게 될 것입니다. 이는 과학자와 의사가 핵 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 있게 하며, 작은 스케일에서 지배하는 거대한 힘을 이해하는 데 가속을 제공하고, 더 나은 의료 치료와 치료법을 이끌어낼 수 있습니다,” 라고 그는 설명했습니다. “궁극적으로 우리는 감마 레이 레이저를 개발해 핵을 변형시키고 나노 수준에서 암세포를 제거할 수 있을 것입니다.”

“극한 플라스몬” 기법은 또한 다중우주 가능성을 시험하는 데 도움이 될 수 있습니다.

작은 칩에 대한 작업은 아직 끝나지 않았습니다. Sahi와 Tirumalasetty는 현재 스탠포드 대학이 운영하고 미국 에너지부(DOE)가 자금을 지원하는 세계적 수준의 시설인 SLAC 국립 가속기 연구소에서 실리콘 칩 재료와 레이저 기술을 정제하는 데 집중하고 있습니다.

초고출력 레이저로 양자 진공 시뮬레이션

보시다시피, 우주에서 실험실에 이르기까지, 가장 극한의 빛에 대한 우리의 이해는 빠르게 진화하고 있습니다.

우리는 먼 펄서에서 감마선 폭발을 포착했고, 초대질량 블랙홀 플레어를 고에너지 광채로 목격했으며, 지상 감마 플래시를 생성하는 번개와 같은 충돌도 기록했습니다. 이제 우리는 지구에서 유사한 조건을 재현하는 방법을 배우고 있습니다. 

몇 달 전, 옥스퍼드 대학교의 물리학자들은 강렬한 레이저 빔이 빛이 없던 곳에서 빛을 생성하는 방식을 시뮬레이션하여 이론적 개념을 현실화했습니다. 

물리학자들이 달성한 것은, 강렬한 레이저 빔이 양자 진공에 어떤 영향을 미치고 변화를 일으키는지를 3D 시뮬레이션으로 최초로 구현한 것입니다.

Communications Physics에 발표된 연구⁴는 고급 계산 모델링을 사용해 강력한 레이저가 양자 진공과 어떻게 상호작용하는지를 시뮬레이션했으며, 그 과정에서 광자들이 서로 튕겨 새로운 빛의 빔을 생성하는 것을 밝혀냈습니다.

시뮬레이션은 진공 4파 혼합(FWM)을 재현했으며, 이는 세 개의 집중된 레이저 펄스가 진공의 가상 전자-양전자 쌍을 편극시켜 ‘어둠에서 빛’ 과정이라고 불리는 새로운 레이저 빔을 생성한다는 양자 물리학 예측입니다. 

“이는 단순한 학문적 호기심이 아니라, 지금까지 대부분 이론에 머물렀던 양자 효과를 실험적으로 확인하기 위한 중요한 단계입니다.”

– 옥스퍼드 대학교 교수이자 연구 공동 저자인 Peter Norreys

시뮬레이션은 고급 버전의 시뮬레이션 소프트웨어(OSIRIS)를 사용해 레이저 빔이 플라즈마 또는 물질과 상호작용하는 것을 모델링했습니다.

“우리의 컴퓨터 프로그램은 이전에 접근할 수 없었던 양자 진공 상호작용을 시간 해상도 3D 창으로 제공합니다. 3빔 산란 실험에 모델을 적용함으로써 우리는 양자 서명의 전체 범위와 상호작용 영역 및 주요 시간 규모에 대한 상세한 통찰을 포착했습니다.”

– 옥스퍼드 물리학부 박사과정 학생이자 연구 책임자인 Zixin (Lily) Zhang

이 모델은 연구자들이 실제 실험을 설계하는 데 사용되며, 레이저 형태와 펄스 타이밍 등을 설계합니다. 또한, 작은 빔 기하학의 비대칭성이 결과에 어떤 영향을 미치는지, 상호작용이 실시간으로 어떻게 진행되는지에 대한 새로운 통찰을 제공합니다.

향후 고에너지 레이저 실험을 계획하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 팀은 이 도구가 가설적인 아원자 입자인 액시온과 같은 암흑 물질 후보의 징후를 찾는 데도 도움이 될 수 있다고 믿습니다.

“가장 진보된 레이저 시설에서 계획된 다양한 실험들은 우리의 새로운 OSIRIS 기반 계산 방법에 크게 도움이 될 것입니다,” 라고 리스본 대학 Instituto Superior Tecnico의 교수인 Luis Silva가 말했습니다. “초고강도 레이저, 최첨단 검출, 최첨단 분석 및 수치 모델링의 결합은 레이저-물질 상호작용의 새로운 시대를 위한 토대이며, 이는 기본 물리학에 새로운 지평을 열 것입니다.”

레이저 기술에 투자하기

감마 레이 레이저가 아직 실현되지 않았으므로, 일반 레이저 기술에 종사하는 기업의 투자 잠재력을 살펴보겠습니다.

L3Harris Technologies (LHX )는 방위 및 항공우주 분야의 첨단 광학 및 고에너지 레이저 시스템의 주요 업체입니다. 이 회사는 컴팩트하고 고성능인 다양한 레이저 시스템을 생산합니다. 

시가총액 507억 달러, LHX 주가는 현재 $272.31이며 연초 대비 29% 상승했습니다. 이번 달 초에는 주가가 $280.52까지 상승했으며, 4월 저점 대비 45% 이상 상승했습니다. 이에 따라 EPS(TTM)는 8.96, P/E(TTM)는 30.27입니다.

LHX 주주들은 1.77%의 배당 수익률을 누릴 수 있습니다.

재무 측면에서 L3Harris Technologies는 2025년 2분기에 매출 54억 달러, 주문액 83억 달러를 기록했습니다. 영업 이익률은 10.5%였으며, 조정된 부문 영업 이익률은 15.9%였습니다. 희석 EPS는 $2.44였고, 비GAAP 희석 EPS는 16% 상승해 $2.78에 달했습니다.

“우리는 기록적인 2분기 실적을 달성했으며, 1.5배의 기록적인 수주-청구 비율, 견고한 유기 성장, 연속 7분기 동안 연도 대비 조정 부문 영업 이익률 확대를 이끌었습니다,” 라고 CEO Christopher E. Kubasik이 말했습니다. “이는 명확한 전환점이며, 6분기 연속 최강 매출 성장과 2026 재무 프레임워크를 향한 의미 있는 진전을 의미합니다.”

Kubasik은 또한 방위 분야가 “세대 투자 사이클에 진입하고 있다”라고 언급했으며, 미국 및 동맹국 예산이 급속히 증가함에 따라, 회사 포트폴리오는 “지속 가능한 수익성 성장 및 장기 가치 창출”을 달성하기 위해 핵심 성장 영역에 맞춰져 있다고 강조했습니다.

최신 L3Harris Technologies (LHX) 주식 뉴스 및 개발 사항

결론

과학자와 엔지니어는 빛과 물질의 경계를 끊임없이 확장하고 있습니다. 이러한 진보는 이제 감마 레이 레이저가 이론에서 변혁적인 기술로 이동하도록 만들고 있습니다. 이 극한 형태의 빛을 활용하면 물리학을 재정의할 뿐만 아니라 의학, 에너지 및 우주에 대한 우리의 이해까지 재구성할 수 있습니다!

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참고문헌:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. 하강 지상 감마선 플래시와 번개 리더 충돌의 연관성. Science Advances, 11(21), eads6906, published 21 May 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. 감마 레이 레이저 개발을 위한 새로운 접근법. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, published 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. 극한 플라스몬. Advanced Quantum Technologies, published 19 May 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. 3차원에서 반고전적 양자 진공의 계산 모델링. Communications Physics, 8, 224, published 5 June 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8