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박홍규 교수팀, 극한의 좁은 공간에서 변신하는 빛 포착, 사이언스지 실려
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1300
  • 일 자 : 2020-01-22


박홍규 교수팀, 극한의 좁은 공간에서 변신하는 빛 포착 
빛의 색을 바꿔주는 나노실린더 구조 적용한 광소자, 양자암호통신 응용 기대
빛을 제어할 수 있는 제3의 방법에 대한 실험적 관찰, 사이언스지 게재  
 

 

이과대학 물리학과 박홍규 교수

▲ 이과대학 물리학과 박홍규 교수

 

 

우주 탄생 당시부터 존재하던 빛. 빛을 제어하려는 인류의 노력이 광통신, GPS, 의료용 내시경, 태양전지, 광센서, 광스위치 등 산업 전반에서 결실을 낳고 있는 가운데 빛을 제어할 수 있는 새로운 방법에 대한 실험적 증거가 나와 화제다.


고려대 이과대학 물리학과 박홍규 교수와 호주국립대 키브샤(Kivshar)  교수 연구팀이 나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발했다.


빛을 제어하는 방법으로는 광섬유 경계면에서 일어나는 전반사나 광결정에서 나타나는 특정 파장 빛의 반사, 두 가지가 전부였다.  21세기 들어서야 아주 작은 나노구조에 빛을 집속시켜 빛을 제어하고 빛의 파장을 바꾸는 제3의 방법이 이론적으로 제안 되었지만 이를 입증하는 실험적 결과는 없었다.


연구팀은 머리카락보다 백 배 가느다란 나노실린더에 적외선 영역의 빛을 가두자 적외선이 아닌, 가시광선 영역의 빛이 출력되는 현상을 직접 관측했다.  붉은 빛이 극한의 좁은 공간에 갇히면 청색의 빛으로 빠져나오는 빛의 비선형성을 강화시킨 결과이다. 입사한 빛을 다양한 다른 색깔(파장)의 빛으로 변환시킬 수 있는 가능성을 실험을 통해 실제 확인한 것이다.

 

나노실린더 구조와 크기를 최적화하고 입사되는 빛을 도넛 모양으로 만들어 파장변환이 극명하게 나타나도록 함으로써 실험적인 관찰이 가능했다.  약한 빛이 입사하더라도 나노실린더를 이루는 화합물 반도체 (AlGaAs)와 강하게 상호작용하면서 빛의 파장변환 효율이 크게 높아지도록 설계한 것이다.

 

실제 이렇게 만들어진 나노광소자를 이용한 결과 기존 나노구조체 대비 빛의 파장변환 효율을 100배 이상 높일 수 있었다. 작은 공간에 빛을 가둔다는 측면에서 광소자와 레이저의 동작 원리가 같은 만큼 연구팀은 향후 나노실린더 구조를 활용한 나노레이저 연구도 추진할 계획이라고 밝혔다.


이번 글로벌 공동연구성과는 향후 빛 알갱이 하나의 색깔까지 바꿔서 양자 암호 통신에 응용될 수 있을 것으로 예상되어 그 중요성이 매우 클 것으로 기대된다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업 (리더연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 저명 학술지 사이언스(Science) 1월 17일자로 게재됐다.

* 논문명 : Subwavelength dielectric resonators for nonlinear nanophotonics
* 교신저자 : 박홍규 교수(교신저자/고려대), 키브샤(Kivshar) 교수(교신저자/호주국립대)

 

 

박홍규 교수는 "많은 수의 나노실린더 구조를 ITO 기판 위에서 제작하는 것이 힘들었다. BIC 현상을 관측하기 위해서는 매우 정확한 크기의 나노실린더 구조를 사용해야 하므로, 실험 오차를 고려하여 많은 샘플을 우선 만든 후에 실험을 해야만 했다. 연구팀은 크기가 조금씩 다른 300개의 나노실린더를 한꺼번에 만들고 이를 동시에 뜯어서 ITO 기판 위로 옮기는 방식으로 샘플을 제작했다."고 밝히며 이렇게 많은 수의 나노구조를 제작하는 것은 처음이었으나 그래핀 단일층을 투명테이프로 뜯어가며 제작한 경험을 살려 성공적으로 샘플을 제작할 수 있었다고 연구 후일담을 소개했다.

 

 


[ 그 림 설 명 ]

 

 

그림1
(그림 1) 2차 조화파의 발생 기전
방위각으로 편광된 1,570nm 파장의 빛(w로 표시, 붉은색)이 가운데 지름 1 마이크로 미터 가량의 나노실린더(금색으로 표시된 원통 부분) 구조에 입사되어 785nm 파장의 2차 조화파(2w로 표시, 파란색)로 변화되는 과정

 

 

그림2
(그림2) 2차 조화파의 측정 결과                        
입사된 파장과 나노실린더 구조의 지름에 따라 측정된 2차 조화파의 세기를 나타내는 그래프

 


 

 

 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)