스핀-궤도 결합 없는 3차원 위상절연체 구현
피복 없이 외부면에서 위상학적 표면파 흐르는 3차원 광학 시스템 개발
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 노준석 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주기적인 3차원 구조체*를 설계하여 스핀-궤도 결합**이 없는 3차원 위상절연체를 구현했다고 밝혔다.
○ 이는 기존에 3차원 위상절연체 구현을 위해 스핀-궤도 결합이 필수적 이었던 것과는 차별화된 성과이다.
* 주기적인 3차원 구조체 : 주기적으로 배열된 3차원 형상의 구조체. 주기적으로 배열된 원자 또는 분자로 구성된 자연적 물질을 모방하여 만든 인공적 물질.
** 스핀-궤도 결합 : 물체의 자전과 진행방향이 서로 연관되어 있음을 뜻함. 축구에서 공에 회전을 넣으면 직진하지 않고 휘는 것이 그 예시임.
□ 3차원 광학 위상절연체란 내부로는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐르게 하는 물질이다.
○ 이렇게 발생된 표면파*는 표면 상태에 관계없이 절연체 특성에 따라 항상 존재하여, 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다.
* 표면파 : 표면에서 흐르는 파동. 여기에서는 위상절연체의 외부 표면 또는 경계면에서 흐르는 빛을 뜻함.
○ 그러나 기 발표된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어, 절연체의 외부 표면이 아닌 서로 다른 두 절연체 사이의 경계면에서만 표면파가 나타난다는 문제가 있으며,
○ 이러한 표면파는 물체의 내부에서 흐르는 특성상 외부에서는 표면파로의 접근이 어려워 응용에 한계가 있었다.
□ 이에 연구팀은 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 서로 다른 두 가지의 방향성을 보이는 점에 착안, 이러한 전자기장 분포가 스핀의 역할을 대체할 수 있음을 발견하였다.
○ 이를 통해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현하여 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 검증하였다.
□ 본 연구에서 발표한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 외부 겉면에서 표면파를 가짐에 따라, 표면파 발생을 위해 인공적으로 피복 등을 감싸지 않아도 될 뿐만 아니라 표면파의 측정 또한 쉬워 응용성이 높은 장점이 있다.
○ 또한, 무피복 광통신 구현 가능성을 통해 통신 시스템 단순화 및 소형화에 실마리를 제공 할 것으로 기대된다.
□ 현재는 3차원 공정의 어려움으로 인해 수십 밀리미터의 파장을 가진 마이크로웨이브에서만 작동이 가능하나, 이광자리소그래피*와 같은 나노스케일의 3D 프린팅 공정을 이용한다면 수백 나노미터의 파장인 근적외선이나 가시광선 영역에서 구현 가능할 것이다.
* 이광자리소그래피 : 빛에 반응하는 물질에 빛을 조사하여 나노/마이크로 스케일의 3차원 형상을 만드는 공정 기법
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 세종과학펠로우십사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 17일 온라인 게재되었다.
