물리학과 공수현 교수,
빛을 구속하고 제어하는 기술 개발
- 초저전력 광 집적회로의 응용 기대-
고려대학교
물리학과 공수현 교수팀이 빛과 물질의 성질을 동시에 가지는 양자 준입자를 이용해 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준에서도 빛을 전파 및 제어할 수 있는 플랫폼을 2차원 물질
박막을 통해 구현했다.
일반적으로
빛은 파동의 성질을 갖고 있기에 빛의 파장보다 작은 공간에 가두어질 수 없는 것으로 알려져 있다. 하지만
공수현 교수팀은 빛과 강하게 상호작용하는 반도체 물질을 사용하면 빛의 파장보다 훨씬 작은 수 나노미터에서 수십 나노미터 수준에서도 빛을 가둘 수
있다는 것이 가능한 것을 확인했다.
반도체가
빛을 흡수하면 반도체 안에 전자와 양공이 수소원자처럼 결합되어 있는 엑시톤 이라는 준입자가 형성될 수 있다. 이때
엑시톤이 빛과 강하게 상호작용하게 되면 빛과 물질의 성질을 모두 갖는 양자 준입자가 형성되는데 이를 엑시톤-폴라리톤이라
한다.
보통은
엑시톤-폴라리톤을 만들기 위해서는 빛을 강하게 집속시키는 거울 구조를 반도체와 결합하여야 하는데, 연구팀은 2차원 반도체의 경우 거울 구조를 별도로 결합하지 않아도 2차원 반도체 자체에 자발형성된 엑시톤-폴라리톤이 형성될 수 있음을
밝혔다. 이 엑시톤-폴라리톤을 이용하면 빛의 파장보다 훨씬
얇은 수 원자층 두께의 반도체에서도 빛을 제어할 수 있게 된다.
또한 연구팀은 2차원 반도체에 존재하는 엑시톤-폴라리톤 형태의 빛은 새로운 물리적 성질을 가짐을 보였다. 예를 들어 펌핑 레이저의 세기를 조절하여 엑시톤-폴라리톤의 상태를 연속적으로 튜닝할 수 있으며
2차원 반도체가 가지는
밸리편광을 그대로 가지고 있음을 관측했다.
엑시톤-폴라리톤은 제어가 간편한 물질적 특성과 질량이 없어 매우 빠른 빛의 특성을 모두 지닌 입자로서 응용 가능성이
매우 큰 것으로 여겨진다. 공수현 교수는 “이번 연구 결과는
금속이 아닌 반도체 물질로도 빛을 회절한계 이하로 강하게 집속시킬 수 있다는 의의가 있으며, 새로운
편광상태인 밸리편광으로 엑시톤-폴라리톤을 제어할 수 있다는 점에서 새로운 개념의 광 집적회로 개발로도
이어질 수 있을 것이라고 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
삼성미래기술육성사업으로
수행된 이번 연구는 공교수의 지도를 받아 신동진 (공동 1저자), 조현희 (공동 1저자) 박사과정 학생이 수행했으며, 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인
어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=32.086)에 독일 현지시간 기준 11월 2일자 온라인 게재됐다.
▲ (왼쪽부터) 공수현 교수, 신동진 연구원, 조현희 연구원
[그림1] 근접장 결합 방식을 이용한 빛-물질 상호작용(엑시톤-폴라리톤) 제어
기술
본 연구에서는 금속 표면에서 형성되는 표면 플라즈몬 폴라리톤 연구를 위해 자주 사용되었던 근접장 결합 방식을 활용하여 빛의
회절 한계보다 훨씬 작은 수 나노미터 수준에 집속되어 있는 엑시톤-폴라리톤을 직접적으로 측정하였다. 근접장 결합 현미경에는 오일-이멀전 타입 현미경이 사용된다. 근접장 결합 방식을 활용하면, 기존에 근접장주사광학현미경 (Nearfield Scanning Optical Microscope)으로는 확인하기 어려웠던 레이저 출력에
의한 엑시톤-폴라리톤 제어 가능성 및 반도체에 주입하는 빛의 편광 상태에 따른 엑시톤-폴라리톤 제어 가능성을 확인할 수 있다.
[그림 2] 레이저 출력에 따른 엑시톤-폴라리톤의 제어
레이저 출력에 따라 엑시톤-폴라리톤이 제어될 수 있음을 확인한 실험 결과이다. (a) 엑시톤-폴라리톤을 여기시키는 레이저의 출력을 증가시킴에 따라서
엑시톤-폴라리톤의 광학적 분산 관계가 점진적으로 변화하는 것을 나타낸다. (b) 그림 a에서의 7개
그래프를 같이 그려서 비교해보면 점진적으로 높은 운동량(오른쪽)쪽으로
그리고 낮은 에너지(아래)쪽으로 이동하는 것을 확인할 수
있다.
[그림 3] 원형 편광으로 제어하는 밸리 엑시톤-폴라리톤
2차원 전이금속 칼코젠 화합물 반도체에서는 밴드 구조 특성 때문에 서로 다른 원형 편광에
다르게 반응하는 엑시톤-폴라리톤이 형성될 수 있다. (좌측) 이를 근접장 결합 방식을 이용하여 실험적으로 측정하였다. (우측)