[한국기술뉴스] 지스트 고등광기술연구소의 기철식 수석연구원 연구팀은 투명망토처럼 빛으로부터 물체를 감추거나 입사하는 빛의 위상정보를 완전히 제거해 복원할 수 없게 하는 광디렉분산물질을 개발했다.
광디렉분산물질(Photonic Dirac dispersion materials)
디렉콘(Dirac cone)혹은 디렉분산물질은 전자의 에너지와 파장의 관계가 원뿔 두 개로 이루어진 모래시계 구조의 물질로 대표적인 물질이 그래핀(graphene)이다. 이와 유사하게 굴절율이 주기적으로 변하는 구조물에서 빛의 주파수와 파장의 관계가 일직선인 두 모드가 만나게 되는데 이 점을 디렉점(Dirac point)이라 부른다. 디렉점 모드의 유효굴절률이 거의 영에 가까워 빛의 투명망토현상과 같이 자연적으로는 불가능한 빛의 전파현상을 보인다.
연구팀은 광결정의 퓨리에-조화성분들과 광결정모드들의 방사손실간의 관계를 이해하고 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 광디렉분산특성을 갖는 광결정을 구현하는 이론적 방법을 제시했다.
광결정
굴절율이 주기적으로 변하는 구조물로 특정주파수영역에서 빛을 강하게 반사함
퓨리에-조화성분(Fourier-harmonic components)
주기적인 구조의 주기에 해당하는 주파수의 배수들
기존의 광결정을 이용한 디렉분산특성연구는 주로 광결정의 주기보다 파장이 긴 낮은 주파수영역에서 수행되었으며 주기와 비슷한 파장의 고주파수영역에서는 보고된 바 없었다. 광결정의 고차 퓨리에-조화성분들간의 상호간섭이 방사손실을 유도해 고주파수영역에서 디렉분산특성 구현을 저해하기 때문이다. 연구팀은 광결정의 퓨리에-조화성분들과 광결정 모드들의 방사손실간의 관계를 이론적으로 연구해 왔으며 이번 연구를 통해 고차 퓨리에-조화성분들간의 상호작용이 디렉분산특성 뿐만 아니라 연속준위속박상태와 파노공명과 밀접한 관련이 있음을 수치해석적으로 증명했다. 이 결과를 바탕으로 특정 퓨리에-조화성분들을 조작하여 디렉분산특성, 연속준위속박상태, 파노공명 등도 고주파수영역에서 구현하였다.
연속준위속박상태(bound state in the continuum, BIC)
속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태로 최근 광결정에서 빛(광자)을 영원히 가두는 상태로 발견됨
파노공명(Fano resonance)
방사모드와 속박모드의 상호간섭에 의한 공명으로 아주 좁은 주파수영역에서 비대칭투과스펙트럼이 특징임
이성구 박사후 연구원과 기철식 수석연구원은 “이번 연구는 퓨리에-조화성분들과 광결정모드들의 방사손실간의 연관성을 이해하고 그동안 보고되지 않았던 고주파수영역에서 디렉분산특성, 연속준위속박상태, 파노공명 등을 구현하는 방법을 제시한 데 의의가 있다”면서 “향후 스텔스기술, 전자기파 차폐기술, 고효율 비선형소자, 고감도광센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지인 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’에 지난 5월 27일 게재됐다.
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