눈사태가 아닌 광사태 눈이 아닌 빛이 쏟아진다

일반적으로 물질에 빛을 쪼이면 나오는 빛은 들어간 빛보다 파장이 길다. 에너지의 일부가 열로 빠지기 때문이다.

거꾸로 올라가는 변환

반대 방향의 현상도 있다. 낮은 에너지의 빛을 여러 번 흡수해 높은 에너지의 빛 하나를 내보내는 것이다. 적외선을 쪼였는데 가시광선이 나오는 식이다.

이를 상향변환이라 한다. 희토류 이온을 포함한 물질에서 주로 나타난다. 이 이온들은 전자가 중간 단계에 비교적 오래 머무는 준위를 가지고 있어, 다음 광자가 도착할 때까지 기다릴 수 있다.

보통 이 변환의 효율은 낮다. 입사광의 세기를 두 배로 하면 출력이 네 배 정도 되는 관계가 나타난다.

사태처럼 늘어나는 경우

특정 조건에서는 훨씬 급격한 반응이 나타난다. 입사광이 조금만 세져도 출력이 수십 배로 뛴다.

이 현상을 광사태라 한다. 눈사태에서 이름을 따왔다.

구조는 이렇다. 들뜬 상태의 이온이 옆의 바닥 상태 이온과 에너지를 나눈다. 그 결과 들뜬 이온이 하나에서 둘이 된다. 둘이 각각 같은 과정을 거치면 넷이 된다. 연쇄적으로 늘어난다.

이 과정이 손실보다 빠르면 들뜬 이온의 수가 급격히 불어난다. 문턱을 넘는 순간 출력이 폭발적으로 증가하는 이유다.

왜 유용한가

입력의 작은 변화가 출력의 큰 변화로 나타난다는 점이 쓰임새를 만든다.

하나는 해상도다. 빛을 한 점에 모아도 초점은 일정한 크기를 갖는다. 초점의 중심부는 가장 밝고 가장자리는 어둡다. 문턱을 넘는 곳에서만 반응이 일어나게 하면, 실제로 빛나는 영역이 초점보다 훨씬 작아진다. 일반적인 광학 한계보다 작은 구조를 볼 수 있다는 뜻이다.

다른 하나는 감지다. 주변 환경이 조금만 달라져도 출력이 크게 변하므로, 미세한 변화를 검출하는 데 쓸 수 있다. 온도 측정이나 특정 분자의 검출이 후보로 연구된다.

조건이 까다롭다

이 현상을 얻으려면 조건이 맞아야 한다.

이온의 농도가 적당해야 한다. 너무 낮으면 이온끼리 에너지를 주고받지 못하고, 너무 높으면 에너지가 열로 빠져나간다.

입자의 크기와 결정의 품질도 영향을 준다. 결함이 많으면 에너지가 그곳에서 소실된다.

반응이 일어나기까지 시간이 걸린다는 점도 제약이다. 연쇄가 쌓이는 데 밀리초 단위의 시간이 필요한 경우가 있어, 빠르게 변하는 현상을 관찰하기에는 맞지 않는다.

현재 위치

나노 입자 수준에서 광사태를 구현한 결과가 2021년 보고되면서 관심이 커졌다. 그전에는 덩어리 형태의 결정에서만 관찰되던 현상이었다.

생체 영상에 쓰려는 연구가 이어지고 있다. 적외선은 조직을 비교적 잘 통과하므로, 적외선으로 들뜨게 하고 가시광선을 받는 방식이 조직 깊은 곳의 관찰에 유리하다는 기대가 있다. 다만 입자의 안정성과 독성 평가가 함께 필요하다.