한국과학기술원(KAIST)은 공동연구를 통해 고도로 구속된 빛이 전파될 수 있는 새로운 플랫폼을 2차원 물질 박막으로 구현했다고 18일 밝혔다. 이번 연구 결과는 향후 강한 빛-물질 상호작용에 기반한 차세대 광전자 소자 개발에 기여할 것으로 예상된다.
원자 한 층으로 이뤄진 2차원 물질이 쌓이면 기존 2차원 물질과 다른 특성을 보이는 '반데르발스 결정'이 된다. '포논-폴라리톤'은 전기를 띠는 물질 속 이온 진동이 전자기파에 결합된 형태를 말한다. 특히 고전도도 금속에 놓인 반데르발스 결정에 생성되는 포논-폴라리톤은 응축성이 극대화된다. 폴라리톤 결정 속 전하가 영상 전하 영향으로 금속에 반사돼 '영상 포논-폴라리톤' 이라는 새로운 폴라리톤이 생성되기 때문이다.
영상 포논-폴라리톤 형태로 전파되는 빛은 강한 빛-물질 상호작용을 유도할 수 있는데, 금속 표면이 거칠 경우 생성이 억제된다. 이에 기반한 광소자 실현 가능성이 제한된다.
이런 한계점을 돌파하고자 다섯 연구팀이 협업해 단결정 금속 위 영상 포논 폴라리톤 측정에 성공했다.
장민석 KAIST 전기 및 전자공학부 교수팀은 고민감도 주사 근접장 현미경(SNOM)을 통해 단결정 금 위 63나노미터(㎚) 두께 육각형 질화붕소(h-BN)에서 전파되는 쌍곡 영상 포논-폴라리톤(HIP)을 측정했다. 이 측정 결과로 유전체 속 전파되는 영상 포논-폴라리톤은 중적외선 빛이 100배 응축된 형태임을 확인했다.
장민석 교수, 메나브데 세르게이 연구교수는 수-파장을 진행하는 HIP 이미지를 얻었으며, h-BN 결정에서 전파되는 강한 구속 상태의 고차 HIP 신호를 세계 최초로 관측하는데 성공했다. 이 결과로 연구진은 반데르발스 결정에서 포논-폴라리톤이 전파 수명 손실 없이 고응축 상태에 이를 수 있다는 것을 보였다. 이 실험 결과는 원자 수준으로 평편한 금 단결정이 h-BN의 기판으로 사용됐기 때문에 얻을 수 있었던 결과다.
실험에 사용된 원자 수준 평편도의 금 단결정은 남덴마크대 나노광학센터의 모텐슨(N. Asger Mortensen) 교수팀이 제작했다.
중적외선 파장 대역에는 수많은 유기물질의 흡수 스펙트럼이 위치해 센서에 사용될 가능성이 높다. 하지만 현재 상용화된 센서는 민감도가 낮아 고농도 상태에서만 유기물이 검출된다. 하지만 고응축 상태 포논-폴라리톤의 강한 빛-물질 상호작용을 이용할 시 유기 분자 한 개도 검출 할 수 있을 전망이다. 금 단결정에 전파되는 포논-폴라리톤의 긴 전파 수명 또한 검출 기능을 향상할 것으로 예측된다.
장민석 교수팀은 영상 포논-폴라리톤과 영상 그래핀 플라즈몬 사이 유사성을 밝혀내기도 했다. 두 전파 모드는 모두 극도로 응축된 전자기장을 보이고, 짧아진 폴라리톤 파장에 무관하게 전파 수명이 일정했다. 이 측정 결과는 유전 박막으로 이뤄진 저차원 폴라리톤에 대비해 영상 폴라리톤이 강점을 가진다는 것을 시사한다.
장민석 교수는 “이번 연구결과는 영상 폴라리톤, 특히 영상 포논-폴라리톤 장점을 잘 보여준다. 특히 영상 포논-폴라리톤이 갖는 저손실성과 강한 빛-물질 상호작용은 차세대 광전자 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 보인다”며 “연구팀의 실험 결과가 향후 메타표면, 광스위치, 광 센서 등 고효율 나노광학 소자 실용화를 앞당기는 데 도움이 되기를 바란다”고 설명했다.
메나브데 세르게이 연구교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 지난 13일자 게재됐다. 한편 이번 연구는 삼성미래기술육성센터와 한국연구재단 지원을 받아 진행됐으며, 한국과학기술연구원(KIST), 일본 문부과학성, 덴마크 빌룸 재단 지원을 받았다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
