메이저

메이저 (microwave amplification by stimulated emission of radiation, maser)는 레이저와 마찬가지로 입자수 뒤바뀜(population inversion)과 자극 방출(stimulated emission)을 이용해서 생성된 마이크로파 영역의 빛을 말한다.¹⁾ 1953년에 처음 개발된 메이저는 레이저 발명의 실마리가 되었고, 원자시계, 천문관측, 원자의 미세 에너지 구조 관찰 등에 사용되고, 진동수의 기준으로 사용되기도 한다²⁾.

목차

그림 1. 암모니아 메이저를 시연하는 타운스 (1953). ().

메릴랜드 대학의 웨버(J. Weber)³⁾가 1952년 이론적으로 메이저의 가능성을 처음 제시하였고, 1953년 컬럼비아 대학에서 타운스(Charles H. Townes)와 그의 학생이었던 고든(James P. Gordon), 자이거(Herbert J. Zeiger)가 처음으로 암모니아를 이용해서 24.0 GHz의 마이크로파를 발생시켰다²⁾.

소련의 바소프(N. Basov)와 프로코로프(A. Prokhorov)도 같은 해에 모스크바 레베데프 연구소에서 독립적으로 메이저를 발명했다.⁴⁾ 이에 대한 업적으로 타운스, 바소프, 프로코로프는 1964년 노벨 물리학상을 받았다.

곧이어서 타운스와 샤로우(A. L. Schawlow)가 가시광선 영역에서의 '광 메이저'(optical maser)라고 불렀던 레이저(laser)의 원리를 발표했고,⁵⁾ 1960년에 마이만(T. H. Maiman)이 루비 레이저의 제작에 성공했으니 메이저는 레이저의 아버지인 셈이다.

그림 2. 자극방출. ().

그림 3. 개체수 역전의 예. 바닥상태보다 준안정 상태에 더 많은 입자들이 존재한다. (출처: 대한화학회)

메이저는 레이저와 똑같은 방식으로 작동한다.

메이저를 이해하기 위해서는 1917년 아인슈타인이 처음 제시했던 자극 방출 (stimulated emission)과 함께 입자수 뒤바뀜(population inversion), 공명 공동 (resonant cavity)에 대한 이해가 필요하다.

자극 방출은 들뜬 상태에 있는 분자나 원자가 공명 진동수를 가진 광자 (hν, photon)에 의해 바닥 상태로 전이하면서, 새로운 광자를 방출하는 현상이다.

입자수 뒤바뀜은 화학반응, 빛의 흡수, 전자의 충돌 등에 의해 평형 상태의 볼츠만 분포에서 벗어나, 낮은 에너지 상태보다 높은 에너지 상태에 더 많은 입자가 존재하는 비평형 상태를 말한다.

공명 공동은 악기의 울림통처럼 입자수 뒤바뀜에 의한 자극 방출을 증폭 시켜, 결이 맞고 세기가 강한 전자기파를 방출시켜주는 역할을 한다. 공명 동공의 길이는 파장의 배수에 해당해서 전자기파의 상쇄가 일어나지 않는다.

그림 4. 암모니아 (NH₃) 분자. ().

그림 5. 뒤집힌 암모니아 분자. ().

그림 6. 메이저 작동을 위해 선택된 암모니아 J = 3, K = 3 회전상태의 에너지 구조. (출처: 대한화학회)

타운스의 연구팀은 암모니아(NH₃)를 이용한 메이저를 설계했다.

극성 분자인 암모니아는 그림 4, 5에 나타나 있는 것처럼 뒤집힘 - 우산이 뒤집히는 것과 비슷하여 umbrella motion이라고 부르기도 한다 - 에 의한 상호전환이 가능하다²⁾. 전기장 속에서 암모니아 분자의 가속이 전기장의 방향에 따라 다르다는 것을 이용한다. 암모니아 분자살(molecular beam)을 전기장 속으로 통과 시켜 특정 방향성을 가진 분자들만 선택적으로 공명 공동 안으로 주입한다. 그림 6의 에너지 도식을 참고로 보면, 전기장에 의해 선택된 분자들은 J = 3, K = 3 회전상태에서 실선으로 표시된 상태로 존재하고, 점선으로 표시된 상태로는 존재하지 않게 된다. 전기장에 의해 선택되지 않은 분자들은 반대의 상황이 된다.

따라서 J = 4 + 상태와 J = 3 – 상태 사이에서 자연스럽게 입자수 뒤바뀜이 일어나고, 공명 공동에서 왕복하는 같은 진동수의 마이크로파에 의해 자극 방출이 이루어져 메이저 방출이 시작된다. 암모니아 메이저의 발명 이후 결맞는(coherent) 메이저는 분광법 등에 다양하게 활용되기 시작했다.

그림 7. H 원자 메이저의 구조. 고주파 방전을 통해 만든 수소 원자살을 자기장 안으로 통과 시켜 양성자와 전자의 자기 모멘트가 서로 상쇄되는 수소 원자들만 선택적으로 공명 공동으로 주입한다. ().

다양한 종류의 메이저가 개발되어 여러 가지 용도로 활용되고 있다.

수소 메이저는 원자시계와 마찬가지로 원자 진동 기준 (atomic frequency standard)으로 사용된다⁶⁾. 수소 메이저는 원자 상태 수소 원자의 미세 에너지 준위를 이용한다. 고주파 방전을 통해서 만든 수소 원자살(atomic beam)을 외부자기장 안으로 통과시키고 슬릿을 이용해 전자의 스핀과 양성자의 스핀이 반대 방향인 수소 원자들만 골라서 공명 공동에 주입한다. 에너지가 더 높은 수소 원자가 공명 공동 안에 주입되기 때문에 자연스럽게 입자수 뒤바뀜이 일어나고, 수소 원자 전자스핀 뒤집힘 진동수 1,420,405,752 Hz (21.10611405 cm)에 해당하는 메이저가 방출된다. 비교적 만들기 쉽고 사용하기 쉬운 수소 메이저는 다양한 형태로 보급되고 있다.

우주의 성운에서도 초복사 방출 (super-radiant emission)이라고 부르는 메이저에서와 같은 자극 방출이 발생한다. 성간에서는 분자 사이의 충돌이 드물기 때문에 입자수 뒤바뀜이 만들어지면 자극 방출로 이어진다. 물분자(22.0 GHz), 하이드록시 라디칼, 메탄올, 포르말린, 일산화 규소 (H₂O, ∙OH, CH₃OH, HCHO, SiO) 등에서 방출되는 초복사 방출은 전파망원경으로 관찰할 수 있다.

2018년 영국의 임페리얼 대학과 런던 대학의 연구자들은 합성 질소 공동 결함(defect)을 가진 다이아몬드를 이용한 메이저를 개발했다. 1960년대 초에는 미국의 제트추진연구소에서 전파망원경에 수신된 외계 마이크로파 (microwave, S-band)의 극저잡음 증폭 기법으로 메이저를 활용했다. 잡음을 줄이기 위해서 메이저 장비는 He의 끓는점인 4K까지 냉각시키고, 루비와 12.0GHz 마이크로파 발생기(klystron)를 이용했다. 우주 공간으로 날아가는 인공위성과의 통신에도 메이저가 사용된다.

1. Blank, A. "Masers made easy’ Nature 488, 285-286 (2012).
2. J. P. Gordon, H. J. Zeiger and C. H. Townes, 'Molecular microwave oscillator and new hyperfine structure in the microwave spectrum of NH₃', Phys. Rev., 95, p. 282, 1954.
3. .
4. ,through%20amplification%20by%20stimulated%20emission .
5. chawlow, A.L.; Townes, C.H. (15 December 1958). 'Infrared and Optical Masers'. Physical Review. 112 (6): 1940–1949.
6. 'Time and Frequency from A to Z: H'. Physics Laboratory. NIST. Hydrogen Maser. Retrieved 2010-04-06.