원자 스펙트럼을 반대로 변화시키는 오팔

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

과학자들은 광학적 공진기로서 원자의 단순성에 오래 전부터 관심을 가지고 있었다. 그러나 대부분의 실험들은 LED와 양자점을 일반적으로 다루었다. 현재, 포토닉스 결정 속의 광원으로서 원자들을 이용하는 연구는 원자와 결정의 광학적 특성들 간의 흥미로운 결합을 밝힐 수 있었다. 이 연구결과는 양자 포토닉스 결정을 위한 새로운 길을 열어줄 것이다. “나노기술의 경우에, 모든 장치들을 동일하게 만드는 것은 거의 불가능하다; 당신은 자연으로부터 이득을 얻을 수 있다”고 Willem Vos가 말했다. 이번 연구진은 세슘 원자 공진기를 가진 포토닉스 결정의 반응을 조사했다. “이것은 간단하지 않다. 나의 모든 연구 중에서 이것이 가장 어려웠다”고 Vos가 말했다. 네덜란드 트웬터 대학(University of Twente)의 연구진은 포토닉스 결정을 가진 공진기의 파장 함수의 곡선 모양이 거꾸로 뒤집힌다는 것을 발견했다. 실제로는 세슘 공진기의 특성들이 변하지 않았다. 그들은 포토닉스 결정과 결합하였고, 이것의 실험 과정 동안에 세슘과 반응하기 때문에 반사율 피크가 약 20%까지 변화되었다. 핵심 과제는 세슘의 적극적인 반응성 때문에 일어나는데, 이것은 포토닉스 결정, 금속 용기 등과 같이 접촉하는 모든 것을 공격한다. 이번 연구팀은 세슘-저항 윈도우(window)을 발견했지만, 그 때마다 윈도우 재료에 포토닉스 결정을 맞추는 것이 어려웠다. “많은 에러, 많은 시도를 거친 후에, 최종적으로 우리는 제어 가능한 방법으로 일부 재현 가능한 실험을 수행할 수 있었다”고 이번 연구진은 말했다. 초기 결과들을 얻은 후에, 이것을 재현하는데 1 년이 걸렸다. 이런 포토닉스 공동-결정 시스템은 다음과 같은 수많은 잠재적인 적용분야를 열어 줄 것이다: 복잡한 메모리 장치를 위한 양자 레지스터; 양자 계산 및 정보; 양자 인터넷. “이것은 기존의 기술에서 영감을 얻을 수 있는 것과는 차원이 다른 차세대 기술”이라고 Vos가 말했다. 이번 연구진은 용액 속에 실리카 나노구조의 현탄액으로부터 형성된 전형적인 오팔을 포토닉스 결정으로서 사용했다. 결정을 형성하고 이것을 윈도우에 부착하는 것은 오팔과 윈도우 사이에 간격이 생기게 한다. 세슘 원자와 함께 작동시키는 것이 어렵지만, 이것은 몇 가지 장점들을 가진다. 다양성과 장애의 부재는 모든 원자들을 적용할 수 있게 한다. 알칼리 원자의 공진들은 매우 강하고 폭이 좁고 구별된다. 이와는 대조적으로 다른 원자들은 더 약한 공진들을 가지고, 다른 공진의 “숲”에서 사라질 수 있는데, 이것은 이런 결과들을 해석하기가 어렵게 한다. 향후에, 이번 연구진은 재료 과학에 집중할 필요가 있다고 제안했다. 포토닉스 결정의 반사율을 전환시키는 것은 반사율의 선 형태를 역전시키지만, 이것은 지속적으로 변화되는 시스템을 작동시키기가 어렵게 한다. “우리는 약점을 강점으로 선회했다”고 Vos가 말했다. 이번 연구팀은 세슘과 반응하지 않는 포토닉스 결정들을 발견할 수 있었다. “안정적인 시스템을 가졌기 때문에, 당신은 지금까지 수행한 것보다 더 재생 가능한 실험들을 수행할 수 있었다.” 이 연구결과는 저널 arXiv에 “Nanophotonic hybridization of narrow atomic cesium resonances and photonic stop gaps of opaline nanostructures”라는 제목으로 게재되었고, Physical Review B에 게재될 예정이다. 그림 1. 실험 장치. 그림 2. 반사율의 역전. figure1.jpg figure2.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59903