편극된 레이저 광을 이용한 뫼비우스 띠

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-02

뫼비우스 띠는 종이로 간단히 집에서 만들 수 있다. 비록 만들기는 쉽지만, 이 고리는 단지 하나의 표면과 하나의 가장 자리만 가지고 있다는 점에서 특이한 성질을 가지고 있다. 그것들은 또한 자연에서 매우 희귀하며 빛에서는 결코 관측되지 않았다. 이제 국제 공동 물리학 연구진은 편극된 레이저 광을 이용하여 그와 같은 모양을 만들어 내었다. 이들 연구진은 이런 전자기 패턴이 새로운 종류의 메타물질과 같은 작은 스케일의 구조를 만들어 낼 수 있을 것으로 내다보고 있다. 광학적 뫼비우스 띠를 만들 수 있다는 가능성은 2005년 이스라엘 Bar-Ilan 대학의 Isaac Freund에 의해서 처음 제안되었다. Freund는 한 쌍의 레이저 빔이, 결합된 전기장이 축을 따라 뫼비우스 띠의 형태로 진동할 수 있도록 제어하는 것이 가능할 수 있다는 계산을 하였다. 그는 다른 스핀과 각 운동량 값을 가진 빔을 이용하고 그것들이 특정한 각도에서 서로 간섭할 수 있도록 만드는 것을 제안하였다. 전자기파의 회전 편극인 스핀은 전파해 진행하는 방향에 수직인 원 안에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 그것의 편광이 회전하는 것을 포함한다. 반면에 궤도 각운동량은 그것의 진행 축 주위에서 빔의 파면이 꼬이는 것으로부터 발생한다. 보통, 빛 파장은 진행 방향에 수직한 평면에서 진동하지만, 뫼비우스 띠와 같은 3차원 광학적 패턴을 만들 때 핵심은 진행축을 따라 종축 성분을 만드는 것이다. 이런 종축 성분을 만든데 있어서 Freund의 제안은 실험적 관점에서 보면 극도로 어려운 문제라는 것이 밝혀졌다. 따라서 최근 연구에서 독일, 캐나다, 이탈리아, 미국의 공동 연구진은 다른 관점에서 이 문제를 접근하였다. 이들 국제 공동 연구진은 q-판 이라고 알려진 액정 디바이스를 이용하였다. 특정한 스핀을 가진 빔에 노출되면, q-판은 빔을 변화시켜 빔이 반대의 스핀을 가지고 궤도 각운동량이 2q 단위를 가지게 만든다. 여기서 q는 어떤 반정수 값을 가질 수 있으며 사용된 특정한 판의 특성이다. 이들 연구진은 반대 스핀을 가진 두 파동의 중첨인 녹색 레이저 빔을 이용하였다. 그 결과, 그것의 너비를 가로질로 변하는 편광된 빔이 발생하였다. 그것은 중심에서 원형 편광되었지만, 더 밖에서는 선형 편광된 빔이었다. 이런 편광의 2차원 패턴을 3차원으로 확장시키기 위해서, 연구진은 밀집된 초점의 마이크로 렌즈를 통하여 빔을 보냈다. 그 결과 빔은 종축 성분을 가질 수 있게 되었으며, 그 크기는 초점 정도에 의존하였다. 이 결과는 너비가 단지 200~250 나노미터인 편광의 뫼비우스 띠가 나타났다. q-판을 변경함으로써, 이들 연구진은 q=-1/2 및 q=-3/2의 뫼비우스 띠를 만들어 낼 수 있었다. 그와 같은 위상학이 물리적으로 존재하는지, 단지 그것은 수학적 기술인지에 대해서 많은 논란이 있었다고 연구진은 말하였다. 그러나 이제 이들 연구진은 실험실에서 이것을 관측하였으며 그 결과 Freund의 이론이 맞다는 것이 증명되었다고 말하였다. Freund는 이들의 최신 연구를 첨단 광학 기술의 큰 업적이라고 논평하였다. 그는 그것이 빛의 완전한 3차원 편광 구조를 측정하는 것이 가능하다는 것을 시연한 것이기 때문에 특정한 예측을 증명한 것 이상이라고 덧붙였다. 그것은 다른 3차원 광학 시스템의 연구를 가능하게 해 줄 것이라고 그는 말하였다. 영국 Bristol 대학의 Michael Berry는 이들의 연구가 여러 첨단 광학 기술을 필요로 하며 전자기 법칙의 감추어진 기하학 및 위상 기하학적 풍부함을 예측한 Freund의 가설을 증명하였다고 말하였다. Glasgow 대학의 Miles Padgett는 이 연구 결과가 광학 리소그라피 및 나노제작과 같은 분야에서 중요한 응용을 가질 수 있다고 말하였다. 잠재적인 하나의 응용은 특이한 위상학적 특징을 가진 3차원 물체이다. 예를 들면 미세한 뫼비우스 띠이다. 이것은 전통적인 리소그래피를 이용하여 만들기는 어렵다. 그 이유는 빔의 종축 성분을 제어하는 것이 어렵기 때문이다. 이 새로운 기술은 폴리머를 제어하는데 특히 유용할 것이다. 그 이유는 이런 물질이 빛 편국에 대해서 가지고 있는 강한 반응성 때문이다. 그는 또한 이 방법이 특이한 광학적 특성을 가진 인위적인 물질인 메타 물질을 제작하는데도 유용할 것으로 믿고 있다. 이들의 연구 결과는 사이언스 저널에 발표되었다. 첨부그림: 광학적 뫼비우스 띠. PW-2015-01-29-Cartlidge-mobius.jpg http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/jan/29/how-to-twist-light-into-a-mobius-strip