국내 연구진이 머리카락 보다 1,000분의 1 작은 공간에 빛을 영원히 가둬놓을 수 있는 방법을 밝혀냈다.

광주과학기술원(GIST)은 본원 산하 고등광학기술연구소의 이성구 집접광학연구실 연구원과 기철식 수석연구원이 이 같은 연구 성과를 냈다고 19일 밝혔다. 광결정 내에서 빛을 머리카락크기의 1000분의 1보다 작은 공간에 거의 영원히 가두는 연속준위속박상태 생성원리를 이론적으로 규명했다는 것이다.


광결정이란 굴절율이 주기적으로 변하는 구조물로서 특정주파수영역에서 빛을 강하게 반사한다. 또한 연속준위속박상태(BIC)는 속박에너지보다 큰 연속준위에너지를 갖는 전자가 공간적으로는 속박된 양자역학적상태다. 광결정을 이용한 연속준위속박상태에 대한 연구는 많이 되어 왔지만 연속준위속박상태형성에 대한 이론적 모델이 제시되지 않고 체계적인 이론적 탐구가 이루어지지 않아 연속준위속박상태를 구현하는 광결정구조의 설계와 이를 이용한 광결정 광소자 응용에 어려움이 있었다. 이번 연구성과는 다양한 광구조물에서도 적용될 수 있어 연속준위속박상태를 이용한 광소자설계 및 개발에 활용할 것으로 기대된다고 GIST는 내다봤다.

GIST연구팀은 박막도파로 광결정에서 서로 다른 도파모드들의 결합에 의해 연속준위속박상태가 생성됨을 이론적 모델로 체계적으로 규명했다. 박막도파는 두께 1마이크론 하인 얇은 막이며 빛을 가두어 전파시킬 수 있다. 연구팀은 서로 같은 대칭성을 가지는 모드들 간의 소멸간섭에 의해서 연속준위속박상태가 생성되고, 서로 다른 대칭성을 가지는 모드들 간의 불완전한 소멸간섭에 의해서는 박막 위 혹은 아랫방향으로만 빛이 방출되는 현상도 발견했다.

이 연구원과 기 수석연구원은 “이번 연구성과는 광결정에서 연속준위속박상태 생성원리에 대한 물리적 이해와 이론적 모델을 제시한 것에 의의가 있다”면서 “향후 이론적 모델이 연속준위속박상태를 이용한 광결정 나노레이저, 고감도광센서, 양자암호통신기술개발 등에 활용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 지난 3일 국제학술지인 ‘나노포토닉스(Nanophotonics’ 온라인판에 게재됐다. 과학기술정보통신부, 교육부, 지스트 연구원(GRI)이 이번 연구를 지원했다. /민병권기자 newsroom@sedaily.com