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빛을 영원히 가둘 수 있는 나노평면구조체 개발
시간에서 뿐 아니라 빛을 수십 나노 공간(머리카락 1000분의 1보다 작은 공간)에 가둘 수 있는 메타표면 제안
나노레이저, 고감도광센서, 양자암호통신기술개발 등에 활용 기대
[시사매거진/광주전남] 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 고등광기술연구소(소장 이영락) 의 기철식 수석연구원(집적광학연구실) 연구팀은 현재 나노기술로 제작 가능하며 빛을 영원히 가둘 수 있는 나노평면구조체인 메타표면을 개발하였다.
연구팀이 제안한 빛을 영원히 가두는 연속준위속박상태를 갖는 얇은 평면형 메타표면은 초소형 반도체 레이저, 고분해능 광필터 등 다양한 고집적형 광소자에 응용될 수 있어 초고효율 광소자개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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* 메타표면: 메타표면은 자연계의 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 가지며, 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다. * 연속준위속박상태(bound state in the continuum, BIC): 속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태로 최근 광결정에서 빛(광자)을 영원히 가두는 상태로 발견됨 |
기존의 연속준위속박상태에 대한 연구는 모든 퓨리에-조화성분을 포함한 광결정을 이용해 주로 수행되어 왔지만 특정 퓨리에-조화성분을 제거한 메타표면의 연속준위속박상태형성에 대한 연구결과는 이번에 처음 보고되었다.
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* 퓨리에-조화성분(Fourier-harmonic components): 주기적인 구조의 주기에 해당하는 주파수의 배수들 * 광결정: 굴절율이 주기적으로 변하는 구조물로 특정주파수영역에서 빛을 강하게 반사함 |
연구팀은 광결정에서 연속준위속박상태형성원리에 대한 이론적 연구를 수행해 왔으며, 이번 연구를 통해 퓨리에-조화성분들이 독립적으로 연속준위속박상태형성에 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 또한, 특정 퓨리에-조화성분들을 조작한 메타표면은 연속준위속박상태형성에 유용함을 알 수 있었다.
이성구 박사후 연구원과 기철식 수석연구원은 “이번 연구는 퓨리에-조화성분과 연속준위속박상태생성간의 관련성을 이해하고 특정 퓨리에-조화성분이 제거된 제작 가능한 메타표면을 제안한데 의의가 있다”면서 “작고 얇은 평면 구조체인 메타표면은 시간에서 뿐 아니라, 빛을 수십 나노 공간(머리카락 1000분의 1보다 작은 공간)에도 가둘 수 있어 향후 나노레이저, 고감도광센서, 양자암호통신기술개발 등에 활용될 수 있을 것이라 기대한다”고 말했다.
이성구 박사, 김성한 박사, 기철식 수석연구원이 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 2021년 1월 4일자 온라인으로 게재되었다.
김공 기자 ballhero@naver.com
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