무질서를 이용한 빛 제어

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-06

미국 UCLA와 컬럼비아 대학, 그리고 기타 여러 연구소의 과학자들이 성취한 획기적인 발견이 컴퓨터 칩뿐만 아니라, 발광이나 레이저를 위한 새로운 유형의 광학 물질 정보를 좀 더 정확하게 전송하는 가능성을 제시했다. 연구진은 광 회절에 대응하는 임의의 결정 격자 구조를 이용하여, 약 500나노미터의 짧은 길이에서 빛을 제어하는 데 성공했다. 이는 빛 자신의 파장보다 작은 것이다. 이러한 발견은 레이저를 퍼지게 하는 대신에, 아주 정확하고, 곱고 좁게 레이저를 뻗어 나가게 하는 레이저 콜리메이션(laser collimation)의 새로운 장을 열 것이다. 이 연구는 UCLA 헨리 사무엘리 공학 및 응용과학 대학의 전기 공학부 조교수인 Chee Wei Wong이 이끌고 있다. 벽을 비추는 손전등을 생각해보자. 빛이 손전등으로부터 나와, 벽에 접근하면, 그것은 회절이라는 현상을 통해 퍼지게 된다. 벽으로부터 그 광원이 멀리 떨어져 있을수록, 벽에 도달하기 전의 빔 회절은 더 크게 나타난다. 거리가 10억 분의 1미터와 같은 나노미터 크기에서 측정되는 매우 작은 규모의 거리에서도 이와 같은 현상이 나타난다. 예를 들어, 빛은 컴퓨터 칩이나 광섬유에서 정보를 전달하는데 사용될 수 있다. 그러나 회절이 발생하면, 이 데이터 전송은 그것이 할 수 있는 만큼 정확하거나 명확해지지 않는다. 따라서 회절을 방지하고, 데이터를 전송하는데 사용되는 빛을 좀 더 정확히 제어하는 기술은 광 통신의 혁신을 이끌 수 있으며, 이는 또한, 현대 전자 장비가 가진 물리적 한계를 극복하기 위한 광신호 처리와 더불어, 생물의학에서 사용되는 광섬유를 향상하는 혁신을 이끌 수 있을 것이다. 나노 규모에서 빛을 제어하기 위하여, 연구진은 광 결정 초격자를 사용한다. 이는 빛이 통과할 수 있는 결정으로 이루어진 격자 구조이다. 이 격자는 무질서한 형태를 보이고 있는데, 여기에는 수천 개의 나노 규모 크기의 7각형이나 사각형, 그리고 삼각형 구멍으로 이루어져 있다. 이러한 구멍들 각각은 그 구조를 통과하여 이동하는 빛 파장보다도 작아서, 이들은 광선을 위한 이정표 역할을 한다. 연구진은 균일하게 형성된 구멍이 공간 회절을 다소나마 제어할 수 있다고 이전에 생각했었다. 그러나 새로운 논문에서, 연구진은 가장 무질서한 형태를 보인 구조야말로 좁은 경로로 이동할 수 있게끔 빛을 조준하고, 가둘 수 있음을 발견했는데, 이 구조는 적외선 스펙트럼의 광범위한 범위에서 작동한다. 이 연구의 주요 저자인 Pin-Chun Hsieh는 그가 컬럼비아 대학의 공학 및 응용과학 대학에 있을 때, Wong과 함께 연구를 수행하였다. 앤더슨 국부화(Anderson localization)라고 알려진 이 무질서 효과는 1958년 노벨상 수상자인 Philip Anderson에 의해 1958년 처음으로 제안되었다. 이것은 응집 물질 물리에서 전자의 전도성과 파를 설명하는 물리적 현상이다. 이 새로운 연구는 칩 규모의 광 결정 매체에서 횡 앤더슨 국부화를 최초로 설명한 것으로, 오늘 자 Nature Physics 온라인판에 발표되었다. “이 새로운 연구는 우리에게 규칙적 구조가 아닌, 임의로 설계된 칩 규모의 광자를 통해 앤더슨 국부화 이론을 확인할 수 있게 해준다. Pin-Chun이 관찰한 것은 파장 규모에서 광 전파를 제어하는 새로운 경로를 제공하며, 그것이 바로 임의로 발생하는 구조를 의미한다”고 Wong이 말했다. 타이완에 기반을 둔 Quantumstone 연구소의 대주주인 Hsieh는 이 발견이 완전히 반직관적인 결과라고 밝혔다. 왜냐하면, 사람들은 구조의 무질서가 빛이 좀 더 퍼지게끔 한다고 생각하기 때문이다. “전자 시스템으로부터 얻은 직관에 기반을 둔 이 효과는 불순물이 절연체를 반도체로 바뀌게 할 수 있음을 제안했으며, 무질서를 제어하는 것이 횡단 전송을 저지하고, 빛 확산을 실제로 줄일 수 있음을 명백히 보여주었다” 이와 관련한 수치 시뮬레이션은 영국 런던 대학에서 시행되었고, 뉴욕의 브룩헤븐 국립 연구소와 대만 국립 쳉쿵 대학에서 표본 제작이 이루어졌다. (그림) 그림은 광 결정 초격자를 통해 이동하는 빛을 보여준다. 구멍들은 무작위적으로 형성되었다. LIght.jpg