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서울공대 이야기
서울대 박남규 교수팀, 빛의 위상과 세기를
독립적으로 제어하는 광학적 매질 설계기법 개발

- 양자 역학의 드브로이-봄 해석을 광 매질 설계에 적용


(왼쪽부터) 서울대 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사
 
국내 연구진이 빛의 위상 정보를 완전히 유지하면서 동시에 에너지를 집속할 수 있는 새로운 형태의 매질을 세계 최초로 개발했다.
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 전기정보공학부 박남규 교수 연구팀(유선규 박사, 박현희 박사)이 빛의 위상 및 세기를 독립적으로 제어할 수 있는 광 매질 설계 기법을 개발했다고 10일 밝혔다.
 
빛(파동)을 원하는 형태로 제어하기 위해서는 렌즈, 돋보기와 같이 빛의 세기와 방향을 제어할 수 있는 적절한 물질(매질)의 설계가 필수적이다. 그러나 빛이 어떤 물체와 만날 경우 물체에 의한 빛의 세기 및 방향 변화에 따라 빛의 위상이 함께 변해버리기 때문에, 빛의 최대 정보 전달 능력을 모두 사용하기에는 한계가 있었다.
 
이에 박남규 교수 연구팀은 양자역학 현상의 해석에 대한 관점을 광학계에 새로이 도입했다. 연구팀은 1929년 노벨상을 수상한 드브로이와 이론 물리학자 봄이 ‘드브로이-봄 해석’이라는 형태로 양자역학 분야에서 비슷한 고민을 했다는 점에 착안해, 빛의 위상 정보와 세기를 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 형태의 광학 방정식을 유도했다.
 
논문의 제1저자인 유선규 박사는 “광학적 매질의 특성을 위상(고전적)영역 및 세기(양자적)영역으로 구분하고, 매질의 위상 특성과 세기 특성을 별도로 설계한 후 뒤 개의 매질 내에 합쳤다(그림 1 참조)”며, “그 결과 같은 빛의 세기에서 위상 분포를 마음대로 제어하거나(그림 2 좌측), 빛의 위상을 그대로 둔 채로 빛을 강하게 집속 또는 제거를 해주는 것이(그림 2 우측) 가능함을 확인했다”고 설명했다.
 
연구팀은 이처럼 광학적 매질을 통과할 때 빛의 세기 또는 위상 정보 둘 중 하나만을 선택적으로 유지할 수 있는 방식을 제안했다. 이번 연구는 구현하고 싶은 파동의 세기와 위상을 지정해 주어 매질의 구조를 하향적으로 설계할 수 있다는 점에서 실용적인 가치가 있다. 또한 영(0)굴절 특성 등이 필요하다는 점에서 메타물질 연구와도 접목이 된다.
 
박남규 교수는 “양자역학의 해석에 대한 물리학 분야 논쟁을 파동 연구에 도입하여, 매질의 설계라는 공학적 문제에서 혁신적인 솔루션을 제시했다”며, “이번 연구로 입사된 빛의 위상 정보까지 전달 가능한 공진기 설계, 빛의 위상 제어에서 얻어지는 정류 현상을 통한 의료용 테라헤르츠 파 생성 연구를 비롯해 음파나 물질파와 같은 다른 영역의 파동에도 적용 가능할 것”이라고 말했다.
 
본 연구는 세계적인 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 5월 10일자 온라인에 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 사업(파동에너지 극한제어 연구단), 교육부의 대통령Post-Doc.펠로우십 과제, 과학기술정보통신부의 해외우수신진연구자유치(KRF) 사업의 지원을 받았다.
 

그림1. 광학적 매질의 고전적, 양자적 영역에 해당하는 부분을 분리하여
각 빛의 위상과 세기를 독립적으로 제어하는 Bohmian Photonics 기법.


▲ 그림2. (중간) 일반 매질에 의한, 파동의 세기와 위상의 동시 변화 (좌측) Bohmian Photonics 기법으로 설계한, 빛의 세기를 유지한 채로 위상 만을 자유롭게 제어하는 광학적 위상제어 특이 매질상 파동 전파 및 (우측) Bohmian Photonics 기법으로 설계한, 빛의 위상을 보존한 채로 세기 만을 강하게 집속하는 광학적 세기제어 특이 매질상 파동 전파.
 

[용어해설]
1. 광 매질: 빛의 전파 특성, 방향, 세기, 위상 등을 제어하기 위해 사용되는 물질이다.
 
2. 광 집속: 빛을 특정 공간 영역에 세게 모이게 하는 현상이다.
 
3. 드브로이-봄 해석: 물리학자 드브로이와 봄이 제안한 이론으로, 양자 현상을 확실한 위치가 정의된 입자와 파일럿 파동(Pilot wave)라는 실제적인 파 간의 상호작용으로 해석하는 가설이다. 다수설에 해당되는 비결정론적인 코펜하겐 해석과 비교했을 때 결정론적인 특성을 가지며, 해당 논문에서는 드브로이-봄 이론에서 제안된 고전적 영역과 양자적 영역의 수학적 분리 기법에 주목하여 이를 광학 매질 설계에 적용하였다.
 
4. 테라헤르츠 파: 전자기파 중 0.3-3THz 대역의 주파수를 갖는 파동이다. 의료용이나 보안 검색 등에 많이 활용된다.
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