광학 집게 빛으로 물건을 잡을 수 있다고?

여러분들은 미세한 무언가를 잡기 위해서 어떤 도구를 사용하나요? 아마 족집게를 사용할 텐데요. 그렇다면 원자와 같이 우리 눈에 보이지 않는 것을 잡기 위해서는 어떤 것을 이용해야 할까요? 이번 2018년 노벨 물리학상 수상자인 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)은 바이러스와 생체 세포뿐만 아니라 입자나 원자와 같은 작은 것들을 레이저로 잡을 수 있는 광학 집게(Optical tweezer)의 원리를 알아냈다고 합니다. 애슈킨은 무려 96세의 나이로 노벨상을 수상해서 노벨상 117년 이래 최고령 수상자의 타이틀을 얻기도 했는데요, 그렇다면 지금부터 광학 집게에 대해서 알아보도록 할까요?

이미지출처
위 (아서 애슈킨) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arthur_Ashkin_EM1B5678_(44417135450).jpg
아래 (레이저포획의 원리) https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers#/media/File:Optical_trap_principle.svg

본격적으로 광학 집게에 대한 설명에 들어가기 앞서서 이번 노벨 물리학상에 담긴 하나의 일화를 짧게 이야기하고 가도록 하겠습니다. 사실 애슈킨 박사가 96세의 나이에 2018년에 노벨 물리학상을 받기는 했지만, 광학 집게의 원리에 대한 연구는 1970년대부터 시작되었고 1986년에 실질적으로 개발되었습니다. 연구가 1970년대부터 시작되었다는 점을 고려하면 정말 노벨상을 늦게 받은 셈이죠. 심지어 1997년에는 스티븐 추 스탠퍼드 교수가 광학 집게를 응용한 장치를 통해 노벨 물리학상을 받는 아이러니한 상황이 발생하였습니다. 그래서 이 점에 대해 의문을 가진 사람들이 오직 애슈킨을 위한 학회나 모임을 열었다는 에피소드가 전해지고 있답니다.

광학 집게는 앞에서 설명한 것과 같이 빛을 이용하여 미세한 물체를 잡을 수 있는 장치랍니다. 광학 집게는 우리가 흔히 알고 있는 레이저(LASER · Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)를 이용하는데요, 레이저를 특정 초점으로 쏘면 그 입자와 초점 주변에 생기는 굴절률로 인해 인력과 척력이 생기게 됩니다. 이 힘으로 인해 근처에 있는 미세한 물체가 초점에 붙잡히게 되는데, 이 초점을 움직이게 되면 초점을 따라서 물체도 함께 움직이게 된답니다.

광학 집게는 미세한 물체와 살아 있는 세포를 손상 없이 잡을 수 있기 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있는데요. 분자생물학 분야에서 단백질, 효소, DNA 연구에 사용되거나, 전자공학에서 마이크로칩 설계에 이용되고 있답니다. 또한, 광학 집게가 개발된 이후 광학 집게를 더욱 발전시키기 위한 연구도 진행 중입니다. 초기 광학 집게는 단순한 구조의 물체만 잡을 수 있었던 반면 지금은 복잡한 구조의 물체도 잡을 수 있는 수준까지 발전되었다고 합니다.

빛으로 물체를 잡을 수 있다는 점, 정말 신기하지 않나요? 노벨 물리학상 수상자들의 연구에는 유난히 레이저를 응용한 연구들이 많은데요, 1964년 레이저가 개발된 후 광학은 눈에 띄게 발전하기 시작했습니다. 그리고 지금은 말로 표현할 수 없을 정도로 다양한 응용 연구들이 진행되고 있답니다. 어쩌면 미래에는 우리도 광학 집게에 집혀 이동할 수 있지 않을까요? 다음 호에도 재미있는 노벨상 이야기를 가져오도록 하겠습니다! 안녕.

알리미 23기 컴퓨터공학과 17학번 문새미