[광학] 원자 분자 광 물리학에 대한 이해

 
 원자 분자 광 물리학(AMO; Atomic, molecular, and optical physics)은 하나의 원자 혹은 원자의 몇 개 규모에서, 물질-물질 혹은 빛과 물질의 상호작용에 대해 연구하는 물리학의 세부 분야를 말한다. 주로 양자 역학이나 전자기학, 스펙트럼 분석 등을 바탕으로 하며, 고전적 물리학과 양자 역학의 교차점에서 매우 중요한 역할을 수행하고 있기도 하다. 원자 분자 광 물리학은 오늘날 현대의 기술, 특히 레이저(Laser) 기술과 양자 컴퓨팅의 기초라고 할 수 있는 원리들을 제공하고, 또한 응용 가능성이 매우 넓다는 특징이 있다. 원자 분자 광 물리학은 원자 물리학(Atomic Physics), 분자 물리학(Molecular Physics), 광학(Optics) 총 세  가지의 분야에 대한 상호 관계와 유사한 연구 방법 그리고 비슷한 "에너지 범위"에 존재하기 때문에 함께 연구된다. 보통 과학자, 그중에서도 물리학자들은 원자 분자 광 물리학을 AMO 물리학이라고 줄여서 언급하며, 위 세 가지의 분야 모두 고전 역학과 양자 역학의 방법을 모두 사용한다는 특징이 있다.

 먼저 원자 및 분자 물리학에 관해 설명해 보겠다. 원자 물리학은 전자와 원자핵의 "분리된 체계"로서 원자를 연구하는 원자 분자 광 물리학, 즉 AMO의 하위 분야에 속하며, 분자 물리학은 "물리적인 특성"을 연구하는 분야라고 이해하면 된다. 중요한 실험적 기술은 다양한 유형의 "분광법"인데, 분자 물리학은 원자 물리학과 밀접한 관련이 있지만, 이론 화학이나 물리 화학, 또는 화학 물리와도 크게 중첩된다는 특징이 있다. 먼저 원자 물리학은 원자의 "구조" 및 "동작"에 대해서 연구하는 학문이다. 원자의 내부에 존재하는 원자핵과 전자의 상호작용, 또 전자의 양자화된 상태를 일컫는 에너지 준위, 전이, 또 스펙트럼의 광선 방출 및 흡수 등을 탐구하는 학문이다. 특히, 원자 물리학은 양자 역학의 원리를 적용해 원자의 에너지 준위 변호에 관해 설명하며, 전자들이 특정 궤도에서 흡수하는 빛의 파장에 대해 이해하기도 한다. 분자 물리학은 마찬가지로 분자의 "구조" 및 "동작"에 대해 연구하는 학문이다. 일반적으로 분자는 원자가 결합하여 형성되는 것이며, 분자 내에서 원자들이 상호 작용하는 과정에서 고유한 진동 및 회전 운동을 하게 된다. 분자의 스펙트럼을 분석하여 분자의 구조에 대해 이해할 수 있고, 화학 결합의 특성 및 반응성에 대해서도 연구할 수 있다.

특히 회전 스펙트럼과 진동 스펙트럼 등에 대한 분자의 물리적인 특성을 구체적으로 설명할 수 있다는 점이 특징이다. 앞에서 언급된 원자 물리학과 분자 물리학 모두 전자의 구조와 전자의 이러한 배열이 변화하는 역동적인 과정에 주로 관련되는 학문이다. 일반적으로 이는 "양자 역학"을 사용한다. 분자 물리학의 경우에는 이 접근법을 "양자 화학"이라고 하기도 한다. 분자 물리학에서 중요한 한 가지 측면을 하나 꼽자면, 물리학 분야에서 필수적인 원자 궤도 이론이 바로 분자 궤도 이론으로 확장된다는 점이다. 분자 물리학은 분자의 원자 프로세스와 관련이 있음이 틀림없지만, 분자 구조로 인한 영향에 추가로 관련된다는 특징 또한 존재한다. 원자들로부터 알려진 전자 여기 상태들 및 추가로 분자들은 회전과 진동을 할 수 있는 특징이 존재한다. 이러한 회전과 진동은 양자화되는데, 이는 개별 에너지 수준이 있다. 가장 작은 에너지의 차이가 다른 회전 상태에 존재하고 있으므로 순수한 회전 스펙트럼은 전자기 스펙트럼 중 30 ~ 150um 파장, 즉 원적외선 영역에 있다. 진동 스펙트럼 약 1 ~ 5um 파장, 근적외선에 존재하며 전자의 전이로 인한 스펙트럼은 대부분 우리 눈에 보이는 가시광선 및 자외선 영역에 해당한다. 원자핵 사이의 거리와 동일한 분자의 회전 및 진동 스펙트럼의 특성을 측정하고 연구할 때 계산될 수 있다.

 마지막으로 광 물리학은 전자기 복사의 생성, 또한 그 복사의 성질 및 복사와 물질의 상호작용, 그중에서도 그 조작과 제어에 관한 연구를 주로 수행하는 학문이다. 이는 새로운 현상을 발견하고 적용하는 데에 초점을 맞추고 있다는 점에서 우리가 알고 있는 일반적인 광학 혹은 광학 공학과는 확연히 다른 점이 존재한다. 그러나 광 물리학, 광 공학, 응용 광학에는 큰 차이가 없다는 것 또한 인지해야 한다. 따라서 광 물리학은 빛의 물리적인 특성과 물질과의 상호작용에 대해서 연구하는 학문이라고 할 수 있다. 광 물리학은 전자기파로서의 빛 그리고 양자적 입자로 정의되는 광자, 빛의 흡수 및 방출 등을 포함한다. 이 중에서도 레이저 기술은 현대의 광 물리학의 주요 응용 중에 하나로 손꼽히며, 원자 및 분자의 양자 상태를 제어하는 데 활용되기도 한다. 광 물리학의 연구원은 전자레인지에서 엑스선까지 전자기 스펙트럼을 확장할 수 있는 광원을 사용하고 개발한다. 해당 분야는 빛과 선형 및 비선형 광학 프로세스의 생성과 탐지, 그리고 분광학을 포함하기도 한다. 레이저 및 레이저 분광기는 광 물리학을 변경시킨 예시이다. 광학 물리학의 주요한 연구는 양자 광학 및 일관성, 또한 펨토초 광학에도 집중되어 있다. 광학 물리학에서의 주요 연구는 양자 광학 및 일관성, 그리고 펨토초 광학에도 집중된 것이 살이다. 광학 물리학 분야에서는 강렬한 초고주파 전자기장에 고립된 원자의 비선형적인 응답, 높은 전자기장으로 인한 원자-공동 상호작용 또한 전자기장의 양자 특성과도 같은 영역에서도 지원이 제공된다.

 이러한 광 물리학은 전자기 복사의 생성, 또한 해당 복사의 성질, 복사의 물질의 상호 작용 등 그 조작과 제어에 관한 연구이다. 이는 새로운 현상의 발견과 적용에 초점을 맞추고 있다는 점에서 일반적인 광학 및 광학계와는 다르다. 그러나 광 물리학, 응용과학 및 광 공학 사이는 강한 차이가 없었다. 광 물리학의 연구원은 전자레인지에서 엑스선까지 전자기 스펙트럼을 확장할 수 있는 광원을 개발하고 사용하고 있다.  광학 물리학의 주요 연구는 양자 광학과 일관성, 펨토초 광학에도 집중되어 있다. 광학의 물리학 분야에서는 강렬한 초고주파 전기장에 고립된 원자의 비선형 응답, 즉 높은 전자기장에서 원자-공동 작용, 전자기장의 양자 특성과도 같은 영역에서 지원이 제공된다.

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