초고속 자기광학 분야의 자성체 연구에 필수적인 자기광학용 펨토초(fs:10조분의 1초) 초고속 레이저가 산학 공동연구로 국내에서 처음 개발됐다.
한국기초과학지원연구원 극한물성연구팀(팀장 이형철 박사)은 서울대 물리학과 김대식 교수팀과 공동으로 10W급 고출력 다이오드 레이저를 이용한 펨토초 레이저인 타이타늄 사파이어(Ti-Sappire) 펄스 레이저를 개발하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.
이번에 개발된 펨토초 레이저는 펄스폭이 20∼50fs에 불과하면서도 초고속 시간 분해능이 가능하며 선폭이 넓어 반도체나 반도체 양자구조와 같은 물질에서 결맞음(coherent) 시간내에 일어나는 양자 광학적 현상 연구에 필수적이다.
특히 주어진 에너지를 연속적으로 발진하는 기존 레이저와 달리 에너지를 한번에 펄스형태로 발진시키기 때문에 레이저 빔의 강도가 0.4∼0.6W급으로 강하다. 또 파장이 700∼900㎚로 원적외선 영역의 광원이어서 고자기장 환경에서의 초고속 광학적 물성 연구에 적합하다.
이에 따라 국내에서도 고자기장 하에서의 광학연구에 필요한 광학용 스테이지 설계·제작이 가능해져 자성물질의 광학적 특성 연구를 위한 제반 실험환경을 갖출 수 있게 됐다. 초고속 분광학적 물성 연구는 지난 10년간 선진국을 중심으로 비약적인 발전을 거듭해온 분야로 이번 펨토초 레이저 개발에 따라 반도체의 메모리나 하드디스크 제작 등 자성체 반도체 연구에 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대된다.
기초과학지원연은 이번에 개발된 펨토초 레이저 장비를 이용, 갈륨비소(GaAs) 등 자성체 반도체가 고자기장 하에서 나타내는 광학적인 특성과 스핀 주입에 대한 연구에 착수한 상태다.
기초과학지원연은 앞으로 나노-패턴의 반도체 시료에서의 스핀트로닉스 관련 연구와 현재 세계적으로 활발히 연구되고 있는 GaAs·GaN과 같은 반도체에 망간(Mn)과 같은 자성체가 혼합된 자성반도체에서 전자들이 고자기장과 극저온 환경에서 스핀방향이 일정한 방향으로 정렬되는 특성을 이용한 새로운 자성물질에 관한 물성 연구를 수행할 계획이다.
이형철 팀장은 “펨토초 레이저를 이용한 자기광학연구시스템을 국내외 관련분야 연구자들이 모두 이용할 수 있도록 장비를 개방할 것”이라며 “초고속분광현상과 고자기장을 결합한 물성 연구가 활기를 띨 것으로 본다”고 말했다.
<대전=박희범기자 hbpark@etnews.co.kr>