광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 기철식 고등광기술연구소 집적광학연구실 수석연구원팀이 빛을 시간과 수십 나노 공간에 영원히 가둘 수 있는 나노평면구조체를 개발했다고 18일 밝혔다. 초고효율 광소자 연구·개발(R&D)에 활용할 수 있다.
기 연구원팀은 광결정에서 연속준위속박상태 형성원리 연구를 수행한 결과, 주기적인 구조에 해당하는 주파수 배수인 퓨리에-조화성분들이 독립적으로 연속준위속박상태형성에 영향을 미친다는 사실을 확인했다. 특정 퓨리에-조화성분을 제거한 메타표면은 연속준위속박상태형성에 유용한 것으로 나타났다.
연속준위속박상태는 속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태를 말한다. 기존 연속준위속박상태에 대한 연구는 주로 모든 퓨리에-조화성분을 포함한 광결정(굴절율이 주기적으로 변하는 구조물)을 이용해 이뤄져 왔다. 특정 퓨리에-조화성분을 제거한 메타표면의 연속준위속박상태 형성에 대한 연구는 이번에 처음이다.
연구팀이 개발한 빛을 영원히 가두는 연속준위속박상태를 갖는 얇은 평면형 메타표면은 초소형 반도체 레이저, 고분해능 광필터 등 다양한 고집적형 광소자에 응용할 수 있다. 메타표면은 자연계의 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 갖는다. 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복할 수 있다.
기철식 수석연구원은 “퓨리에-조화성분과 연속준위속박상태생성간의 관련성을 이해하고 특정 퓨리에-조화성분이 제거된 제작 가능한 메타표면을 제안한데 의의가 있다”며 “빛을 시간과 수십 나노공간에도 가둘 수 있어 나노레이저·고감도광센서·양자암호통신기술 개발 등에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
기철식 수석연구원을 비롯 이성구·김성한 박사가 참여한 이번 연구 결과는 국제 저명 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스' 온라인에 최근 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
