실험실에서 만든 플라스마 구가 솔리톤처럼 행동, 구상 번개의 단서

중국 물리학자들이 팽창하면서도 구조를 유지하며 스스로 완결된 파동인 전자기 솔리톤처럼 행동하는 작고 빛나는 플라스마 구를 만들어 냈다. 중국과학원 저우추량(Chuliang Zhou) 팀은 상대론적 테라헤르츠 전자기장으로 구동되는 거시적이고 수명이 긴 솔리톤을 처음으로 제어하며 생성했다고 설명하는 연구를 Nature Photonics에 보고했다. 이 결과는 수세기 동안 보고되어 왔지만 현장에서는 연구하기가 거의 불가능한 현상인 구상 번개를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.

구상 번개를 연구하기 어려운 이유

일반적인 번개는 눈 깜짝할 사이보다 빨리 사라지는 들쭉날쭉한 섬광이다. 반면 구상 번개는 수천 건의 기록과 목격담에서 땅 위에 떠 있다가 비눗방울처럼 펑 하고 사라지는 공으로 묘사된다. 크기, 색깔, 행동에 대한 보고가 제각각이어서 대기과학에서 가장 기이한 수수께끼 중 하나로 꼽힌다.

솔리톤은 경쟁하는 물리적 힘들 사이의 섬세한 균형을 통해 형태를 유지하는, 스스로 완결된 하나의 파동이다. 이런 균형이 가능한 곳이라면 플라스마, 물, 빛 어디에서든 솔리톤이 생길 수 있다. 일부 이론은 구상 번개가 플라스마 껍질 안에 에너지를 가두는 전자기 솔리톤이라고 본다. 플라스마는 원자가 전자를 잃은 기체다.

구를 만든 방법

연구진은 끝이 겨우 100나노미터 폭인 텅스텐 바늘을 사용했다. 사람 머리카락의 굵기는 8만~10만 나노미터다. 이 바늘에 초단펄스 레이저를 쏘자 바늘을 따라 이동하는 강력한 전자기파가 발생했다. 바늘 끝에서 이 파동의 에너지는 극도로 강한 전기장으로 집중되어 아르곤 가스 구름 속 원자에서 전자를 떼어 냈고, 그 결과 과열된 이온화 아르곤 거품이 만들어졌다.

빛나는 구는 처음에는 지름이 약 80마이크로미터였으며, 이후 100나노초 동안 수백 마이크로미터까지 커졌다. 이는 구를 만든 전자기 펄스보다 훨씬 긴 시간이며, 구는 뜨거운 플라스마 구름처럼 흩어지지 않고 팽창하는 동안에도 구조를 유지했다.

측정이 보여 준 것

연구진은 팽창 과정을 추적하고 구가 식으면서 방출하는 빛의 파장을 분석했으며, 관측 결과를 이론 모형 및 컴퓨터 시뮬레이션과 비교했다. 팽창은 전자기 솔리톤에 대한 예측과 일치했으며, 이는 전자기 에너지가 플라스마 안에 갇혀 있었음을 시사한다. 일반적인 열팽창을 시뮬레이션하면 훨씬 빠르고 더 퍼지는 과정이 나타났다.

완전한 설명과는 거리가 멀다

통제된 실험실 실험에서 나타난 작은 빛의 점은 구상 번개가 보고되는 대기 조건과는 거리가 멀다. 그래서 연구진은 모형을 이용해 이 효과가 어떻게 확대될 수 있는지 살폈다. 계산에 따르면 테라헤르츠 복사가 아니라 마이크로파로 구동되는 솔리톤은 이론상 지름이 수 미터까지 커지고 몇 초 동안 지속될 수 있으며, 이는 일부 목격담에 더 가깝다. 이는 관측이 아니라 이론적 추정이다.

저자들은 전자기 에너지를 안정적이고 국소화된 구조에 가두는 것이 에너지 저장 기술과 극한 조건에서 빛이 물질과 상호작용하는 방식을 연구하는 데 새로운 길을 열 수도 있다고 썼다. 더 많은 물리학 기사는 과학 섹션에서 볼 수 있다.