[베리타스 알파=유재명 기자] 포스텍-KAIST 공동 연구팀이 인공적으로 디자인된 메타표면을 활용해 100% 효율에 가까운 '광스핀홀 효과'를 얻는 방법을 내놓았다고 16일 전했다.
포스텍 기계공학과/화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김민경씨, 이다솔 박사 연구팀은 KAIST 기계공학과 민범기 교수, 조혁준씨 연구팀과 함께 비등방성을 갖는 메타표면을 이용해 효율이 거의 100%이면서 광스핀홀 효과를 높일 수 있는 방안을 제안했다. 이를 위해 한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계해 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다. 이번 연구의 성과는 광학 분야 권위지 '레이저 앤 포토닉스 리뷰' 2월호에 게재됐다.
광스핀홀 효과는 광학 경계면에서 빛이 반사 또는 굴절할 때, 빛의 편광 방향에 따라 입사평면에 수직인 방향으로 빛이 이동하는 현상을 가리킨다. 이런 광스핀홀 효과가 증가하면 파장의 수 배 또는 수십 배 이상의 빛을 이동시킬 수 있다.
지금까지 광스핀홀 효과에 관한 연구는 주로 빛의 이동을 크게 하는 방향으로 진행됐고, 효율은 거의 고려하지 않았다. 광스핀홀을 증폭시키면, 효율이 매우 낮아지기 때문에 효율이 높으면서도 광스핀홀 효과가 큰 연구는 보고된 바가 없었다.
연구팀은 광스핀홀 효과를 증폭시키기 위해 비등방성을 갖는 메타표면을 이용했다. 이 메타표면은 한 편광의 빛은 대부분 투과시키면서 다른 편광의 빛은 반사해 광스핀홀 효과를 증폭시키도록 설계됐다. 마이크로파와 같은 고주파 영역에서 메타표면의 투과율을 측정하고 이를 통해 투과된 빛의 편광 상태를 검증해 효율이 100%에 달하는 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다.
연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 "광스핀홀 효과를 증가시키는 기존 연구들은 증가시키는 그 메커니즘이 효율을 낮게 하는 경우가 대부분이었다"며 "이 연구에서 처음으로 광스핀홀의 효율을 계산하는 방법을 제시하고 효율을 높이면서도 광스핀홀 효과를 키우는 방법을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다"고 말했다. 또한 "광스핀홀 효과는 빔 분할기 필터 스위치 등 초소형 광학 소자로 활용될 수 있는데 이 연구는 이러한 스핀 기반 소자의 효율성을 높일 수 있다"고 덧붙였다. 이 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업 지역혁신선도연구센터 교육부 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다.
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