[POSTECH·미국 NEU 공동연구팀, 광(光) 손실 메타 격자를 활용한 빛 전송 성공]

‘빛’은 아주 민감하고 취약하다. 물질의 특성에 따라 빛이 표면에서 흡수되거나 튕겨져 나올 수 있고, 열에너지 등 다른 에너지로 전환될 수도 있다. 또, 빛이 금속 표면에 도달하면 금속 내부의 전자에게 에너지를 빼앗기는데, 이러한 모든 현상을 ‘광(光) 손실’이라고 한다.

빛을 이용하는 광학소자는 크기가 작아질수록 광 손실이 증가하기 때문에 초소형 광학소자를 만드는 데 어려움이 있다. 그런데, 최근 이 광 손실을 오히려 역으로 이용하는 ‘비(非)허미션(Hermitian)’ 이론이 광학 연구에 적용되고 있다. 광 손실을 불완전한 요소로 인식하는 일반 물리학과 달리 광 손실을 받아들이고 유용하게 이용하는 ‘비-허미션’ 이론을 통해 새로운 물리적 현상을 발견하고 있는 것이다. 눈앞의 재앙이 복이 된다는 뜻의 ‘전화위복’. 바로 이것이 ‘전화위복’의 물리학이 아닐까?

기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 정헌영·김석우 씨, 노스이스턴대학교(Northeastern University, NEU) 용민 류(Yongmin Liu) 교수 공동연구팀은 ‘비-허미션’ 이론을 적용한 메타 격자 장치를 활용하여 빛을 원하는 방향으로 보내는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

금속에 빛을 쏘면 빛의 자기장에 의해 금속에 있는 전자들과 빛이 마치 한 몸처럼 움직인다. 이를 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, 이하 SPP)’이라고 한다. SPP의 방향을 제어할 때 보통 ‘격자 커플러’라는 보조 장치를 이용하는데, 이 장치는 수직 방향으로 입사하는 빛을 의도치 않는 방향의 SPP로 전환하기 때문에 전송의 효율이 떨어진다는 한계가 있다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 ‘비-허미션’ 이론을 적용했다. 연구팀은 먼저 의도적으로 광 손실을 발생시킬 특이점을 이론적으로 계산했다. 그리고, 이를 바탕으로 ‘비-허미션 메타 격자 커플러’를 제작한 후 실험을 통해 그 효과를 확인했다. 그 결과, SPP의 방향을 제어할 수 없었던 기존 격자와 달리 메타 격자 장치는 SPP를 하나의 방향으로 전송했다. 또, 격자의 크기와 배치를 조절하여 빛과 SPP를 양방향으로 보낼 수도 있었다. 그리고, 연구팀은 이 장치를 이용하여 빛을 SPP로 전환하는 것뿐만 아니라 SPP를 빛으로 다시 전환하는 데도 성공했다.

 

이번 연구성과는 항원을 검출하여 질병을 진단하거나 대기 중 유해가스를 검출하는 양자 센서 연구에 활용될 수 있으며, 공학과의 융합 연구를 통해 다양한 분야에 적용될 가능성이 높다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 비-허미션 광학을 나노미터(nm) 크기의 작은 영역으로 이끌었다”며, “앞으로 우수한 방향 제어능력과 성능을 가진 플라즈모닉 장치를 개발하는 데 큰 기여를 할 것이다.”라는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단, 미국국립과학재단 사업의 지원으로 수행됐다.