■ 연구성과

- 빛의 운동량이 갖는 위상(Topology) 정보를 광 매질 설계에 적용

- 빛의 종, 횡 방향 스핀을 자유자재로 구현 가능한 메타물질 세계 최초 개발

▲ (왼쪽부터) 서울대 전기정보공학부 박남규 교수, 박현희 박사, 유선규 박사

서울대 공대(학장 차국헌)는 전기정보공학부 박남규 교수팀이 빛의 각운동량을 고전적인 종(longitudinal) 방향만이 아니라 횡(transverse) 방향의 임의 상태로 제어할 수 있는 메타 물질을 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

파동은 진동 방향과 전파 방향에 따라 횡파와 종파로 나뉜다. 예를 들어 기타 줄처럼 위 아래로 진동하며 에너지를 전파하는 횡파가 있는 반면, 스프링은 서로 나란하게 에너지가 전파되는 종파가 된다. 빛과 같은 전자기장은 횡파의 대표적인 예로 빛은 진공 중에서 전파 방향에 수직한 전자기장의 진동만으로 구성된다.

한편 빛이 어떤 성질을 갖고 있는지는 광자가 갖고 있는 여러 물리량에 의해 정의된다. 예를 들어 주파수는 빛이 얼마나 시간에 따라 빨리 진동하는지를, 운동량은 공간상에서 얼마나 빨리 진동하는지를 나타낸다.

최근에는 빛의 각운동량인 스핀(spin)이 주목받고 있다. 스핀이란 회전 특성을 수치화하는 물리량으로써 파동의 전파 방향과 스핀 축의 방향이 서로 나란한 종방향 스핀(그림 1 위쪽)과 파동 전파 방향과 스핀 축이 서로 수직한 횡 방향 스핀(그림 1 아래쪽)이 가능하다.

그런데 고전적 광학에서는, 빛과 같은 횡파는 진공 중에서 빛의 진행방향과 평행한 1차원적인 종 방향 스핀만을 가질 수 있다고 알려져 있었다. 이는 양자역학에서 전자가 가질 수 있는 3차원 자유도의 스핀보다 매우 제한된 형태다.

최근의 나노광학 연구에서는 빛을 강하게 집속할 경우 국소적으로 서로 반대방향의 횡 방향 스핀 쌍(spin pair)을 얻을 수 있다는 결과가 있지만, 전체적으로는 스핀 값이 상쇄돼 단일한 방향의 스핀을 얻는 것이 불가능하고, 관측하기도 힘들었다.

이에 박남규 교수팀은 물리학 분야에서 매우 주목받고 있는 위상(Topology, 2016년 노벨상을 수상)의 개념을 도입했다. 빛의 각운동량 분포가 매질 특성에 따라 결정됨에 착안해 서로 다른 위상 정보를 가지는 이종의 매질을 접합시킬 경우(그림 2 왼쪽) 전 공간에서 순수한 횡 방향 스핀의 구현이 가능함을 이론적으로 제시, 확인했다.

또한 이러한 위상 정보를 실제적으로 구현하기 위해 최근 광학 및 파동 과학 분야에서 주목받고 있는 메타 물질, 특히 영(0)굴절 부근의 쌍곡선 메타물질을 도입해 해결했다(그림 2 오른쪽).

논문의 제 1저자 박현희 박사는 “위상이 다른 매질 간의 조합과 빛의 운동량 위상을 결합해 완전히 새로운 스핀 특성을 얻었다”며, “이번 연구는 매질 내부에서 빛의 운동량 정의에 대한 아브라함-민코프스키 논쟁을 해결할 실마리를 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.

박남규 교수는 “이번 연구를 통해 빛의 종 방향이나 횡 방향 스핀을 하향식으로 설계하는 기법을 제시했다”며, “양자 컴퓨터에서 주목받는 양자 모사 기법이나 유체 역학 등에 적용 가능할 것”이라고 전했다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 5월 15일자 온라인에 게재됐다.

해당 연구는 서울대 전기·정보공학부 박남규 교수, 박현희 박사, 유선규 박사가 수행했으며, 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 사업 (파동에너지 극한제어 연구단)과 해외우수신진연구자유치 (KRF) 사업, 교육부의 대통령 Post-Doc.펠로우십 과제의 지원을 받았다.

[참고자료]

▲ 그림1. 빛의 종방향 스핀과 횡방향 스핀 개념도.

*녹색 화살표: 빛의 진행 방향, *빨간 화살표: 입자의 회전 방향, *노란 화살표: 각운동량 스핀의 축(axis) 방향

▲ 그림 2. 서로 다른 위상(Topology)을 갖는 매질의 접합(왼쪽), 금속과 유전체 다층박막으로 이루어진 쌍곡선 메타물질과, 유전체만의 다층박막으로 이루어진 타원 메타물질 간의 접합으로 구현한 횡 방향 스핀 모드의 여기(오른쪽)

*녹색 화살표: 빛의 진행 방향, *노란 화살표: 스핀의 방향

▲ 그림 3. 해당 기술을 응용해 이득-손실 물질 기반으로 구현한 종파에 가까운 빛의 특성.

진공 상태의 횡파 빛에 비교했을 때 전기장 방향이 진행방향 쪽으로 45도, 67.5도 기울어져 종파, 횡파 성분을 모두 가짐

[용어해설]

1. 매질: 에너지를 전달하는 중간 매개체로서 일반적인 물질에 해당된다.

2. 나노광학: 십억분의 일 미터에 해당되는 길이가 나노 미터이다. 나노 광학은 구조의 길이가 수-수백 나노 수준인 매질에서의 빛의 특이 현상을 다루는 학문이다.

3. 메타 물질 기술: 메타(Meta)란 인위적이라는 뜻으로, 물질이 가지고 있는 특성을 원하는 대로 합성할 수 있는 기술을 의미한다. 즉, 물질을 구성함에 있어 인공적 구조체를 원자 대신 사용하여, 일반적인 자연물질로는 불가능한 특성을 가질 수 있도록 해주는 기술이다. 통상적인 응용의 예로 투명 망토 기술, 매우 작은 구조체를 관측할 수 있는 슈퍼-/하이퍼-렌즈 기술을 들 수 있다.

4. 쌍곡선 메타물질: 같은 에너지에서 가질 수 있는 빛의 운동량을 나타내는 곡선(iso-frequency contour)이 쌍곡선 형태인 매질로서, 매우 높은 운동량을 가질 수 있다.

5. 타원 메타물질: 같은 에너지에서 가질 수 있는 빛의 운동량을 나타내는 곡선(iso-frequency contour)이 타원 형태인 매질로서, 방향에 따라 유전체 특성이 다른 매질에 해당된다.

6. 아브라함-민코프스키 논쟁(Abraham–Minkowski controversy): 매질 내부에서 빛의 운동량을 어떻게 정의해야 타당한 것인가에 대한, 아직까지 논쟁중인 사안이다. 빛 자체의 운동량에 주목한 아브라함 정의와, 빛과 매질 사이 상호 작용에 주목한 민코프스키 정의가 있으나 어떤 정의가 더 물리적으로 정확한 지는 아직 확실히 규명되지 않았다.

[취재문의]

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