레이저 빛 흡수되는 에너지 준위 조절 최초 성공

[산업일보]
한국연구재단(이사장 조무제)은 최현용 교수(연세대) 연구팀이 레이저 빛이 흡수되는 특정영역의 에너지 준위를 제어하는데 최초로 성공했다고 밝혔다.

레이저를 통해 만든 빛은 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 편광 현상이 나타난다. 이 편광 현상을 통해 물질의 에너지 준위를 조절한다면 새로운 고속 동작 광소자의 제작이 가능하지만 현재까지 이 기술은 개발되지 않았다.

연구팀은 이황화레늄(ReS2) 물질이 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 다른 두 개의 엑시톤을 가지는 것을 착안해, 그동안 불가능했던 에너지 중첩이 없는 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하는 데에 성공했다. 이로써 빛 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 된 것이다.

이 연구에 사용된 ReS2 물질에는 중요한 두 개의 엑시톤 준위가 존재한다. 중요한 것은 이들 두 엑시톤 준위가 각기 다른 빛의 편광에만 반응한다는 사실이다.

입사하는 초단파 레이저 빛의 편광이 첫 번째 엑시톤의 방향과 일치할 때에는 첫 번째 엑시톤에서만 광 스타크 효과를 일으켰고, 초단파 레이저 빛의 편광이 두 번째 엑시톤의 방향과 일치할 때에는 두 번째 엑시톤만 선택적으로 광 스타크 효과를 일으킴을 관측했다.

즉, 편광 제어 광 스타크 효과를 이용하여 에너지가 다른 두 엑시톤 준위를 빛이 머리카락 하나를 지나는 짧은 시간동안 선택적으로 제어하는데 세계 최초로 성공했다.

최현용 교수는 “이 연구는 초고속 레이저의 편광을 조절해 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 두 엑시톤 에너지를 선택적으로 제어하는 기술을 개발한 것이다. 펨토초 스위치, 광센서, 초고속 광통신 등에 적용돼 무인자동차, 로봇공학, 의료, 군사기술 등에 응용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

최 교수는 “빛의 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 됨으로써, 기존 전기적 신호로 ‘0’과 ‘1’의 논리제어를 하는 것을 뛰어 넘어 빛을 이용한 ‘0’과 ‘1’의 펨토초 논리제어를 할 수 있을 것”이라며, “광 스타크 효과는 빛을 감지한 후 수백 펨토초 이내에 원상태로 돌아오기 때문에 기존의 어떠한 광센서보다 빠른 초고속 광센서로 응용될 수 있어 무인자동차, 로봇공학, 통신기기, 의료, 군사기술 등 분야에 응용 가능성이 클 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 기초연구실육성사업, 글로벌프론티어지원사업의 통해 이루어졌으며, 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 게재됐다.