평평한 금속에서 형성된 영상 포논-폴라리톤...빛 응축량 ↑
앞으로 고효율 나노광학소자 실용화 앞당길 것
(내외방송=정지원 과학전문 기자) '빛'과 '전자'의 성질을 모두 가지는 입자의 성질을 활용해 앞으로 차세대 광전자 소자 개발이 쉬워질 것으로 전망된다.
KAIST는 18일 '내외방송'에 자료를 보내 "국내외 연구자들이 협엽을 통해 고도로 구속된 빛이 전파될 수 있는 새로운 플랫폼을 2차원 물질 박막(아주 얇은 막)으로 구현해냈다"고 밝혔다.
연구팀은 '반레드발스 결정'을 적극 활용했다.
반데르발스 결정이란 원자 한 층으로 이뤄진 2차원 물질이 여러 겹으로 쌓이면 기존의 2차원 물질과 다른 특성을 보이는데, 이러한 방식으로 만들어진 것을 말한다.
이 특성을 활용해 '영상 포논-폴라리톤'이라는 새로운 형태의 플랫폼이 만들어졌다.
포논-폴라리톤은 전기를 띠는 물질 속 이온의 진동이 전자기파(전기장과 자기장의 변화로 인해 만들어지는 전파)에 결합된 형태인데, 전자기장(전기장과 자기장, 특정한 공간에 힘이 작용됨)이 입사광(표면에 직접 들어오는 빛)의 파장에 비해서 극도로 응축된 형태를 띤다.
특히, 고전도도(높은 전류가 흐름) 특성을 띠는 금속에 놓인 반데르발스 결정에 생성되는 포논-폴라리톤은 응축성이 극대화된다.
그 이유는 폴라리톤 결정 속 전하(물체가 띠고 있는 정전기의 양)가 영상전하(빛을 굴절시켜 반대쪽에 상을 띄움)의 영향으로 금속에 반사돼 '영상 포논-폴라리톤'이라는 새로운 형태가 생성되기 때문이다.
영상 포논-폴라리톤 형태로 전파되는 빛은 강한 빛과 물질의 상호작용을 유도할 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 금속 표면이 거칠면 생성이 억제돼 이를 기반으로 한 광소자(빛을 이루는 가장 작은 입자)의 실현 가능성이 제한됐다.
이 한계점을 극복하기 위해 첨단 제작 기술과 측정 기술을 보유한 다섯 연구팀이 협업을 통해 단결정 금속 위의 영상 포논-폴라리톤을 측정하는 데 성공했다.
장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀은 높은 민감도를 가지는 주사 근접장 현미경(아주 작은 물체를 광학적으로 볼 수 있는 현미경)을 통해 단결정 금 위에 63나노미터 두께의 육각형 질화붕소(높은 온도에서 붕소와 질소를 반응시켜 만든 흰 가루)에서 전파되는 쌍곡 영상 포논-폴라리톤을 측정했다.
이 측정 결과를 통해 유전체 속에서 전파되는 영상 포논-폴라리톤의 중적외선 빛이 100배 응축된 형태임이 확인됐다.
장 교수와 메나브데 세르게이 연구교수는 이를 통해 여러 파장을 진행하는 쌍곡 영상 포논-폴라리톤 이미지를 얻었으며 육각형 질화붕소 결정에서 전파되는 강한 구속 상태의 고차 신호를 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.
연구진은 반데르발스 결정에서 포논-폴라리톤이 전파 수명 손실 없이 고응축 상태에 이를 수 있다는 것을 보였다.
이를 가능하게 한 건 평평한 금 단결정이 육강형 질화붕소가 올라갈 기판으로 사용됐기 때문에 전압 손실이 매우 적었다.
장 교수는 "이번 연구결과는 영상 포논-폴라리톤의 장점을 잘 보여준다"며 "영상 포논-폴라리톤이 갖는 저손실성과 강한 빛-물질 상호작용은 차세대 광전자 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 보인다"고 말했다.
이어 "향후 메타표면(자연상에 존재하지 않는 물성을 띤 새로운 물질)이나 광 스위치, 광 센서 등 고효율 나노광학소자의 실용화를 앞당기는 데 도움이 되기를 바란다"고 설명했다.
이 연구는 삼성미래기술육성센터와 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐으며 한국과학기술연구원과 일본 문부과학성, 덴마크 빌룸 재단의 지원을 받았다.
메나브데 세르게이 연구교수가 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 13일 게재됐다(논문명: Near-field probing of image phonon-polaritons in hexagonal boron nitride on gold crystals).
