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  • 메타물질 속의 비선형을 제어할 수 있는 새로운 방법등록일 : 2015/04/26
  • 영국, 독일, 태국, 홍콩 연구진은 재료의 비선형 편광의 위상을 연속적으로 제어할 수 있는 비선형 메타표면을 최초로 만들었다. 기존의 기술과 비교했을 때, 이 새로운 방법은 비선형 신호 파면을 완벽하게 조절할 수 있고 소위 더 높은 고조파 성분으로부터 나오는 원치 않는 비선형 신호를 제거할 수 있는데, 이것은 막대형 재료 속에서 나타날 수 있다. 이 새로운 메타표면들은 비선형 홀로그램, 비선형 포토닉스 결정 및 회로를 만드는데 중요할 수 있다.

    “고조파 발생은 몇 개의 광자를 더 높은 에너지를 가진 한 개의 광자로 결합함으로써 광 주파수를 변화시킬 수 있는 중요한 비선형 프로세스”라고 이 연구를 이끌었던 버밍엄 대학(University of Birmingham)의 Shuang Zhang은 설명했다. “이것은 정보 처리에서부터 이미징과 감지까지 다양한 분야에 사용될 수 있다”고 Zhang은 말했다.

    재료의 비선형 광학적 특성들을 국부적으로 설계하는 것은 비선형 광학에서 매우 중요하다. 이번 연구진은 국부적인 비선형의 위상 또는 비선형 재료 편광을 지속적으로 제어할 수 있는 비선형 나노구조를 가진 “메타표면(metasurface)”을 만들었다. 이것은 모든 비선형 효과의 원천이다. 이런 위상을 제어하는 것은 비선형 프로세스가 재료 속의 더 긴 도파 길이에 효과적이기 때문에 중요하다. 이러한 효율은 레이저에 의해서 쉽게 달성할 수 없는 광학적 파장을 달성할 수 있게 한다.

    과학자들은 폴링(결정축의 재배열)이라고 알려진 기술을 사용함으로써 재료 속에 비선형을 제어하지만 이런 방법은 비선형 신호의 파면을 완벽하게 제어할 수 없다. “폴링과 비교했을 때, 우리의 방법은 이런 파면을 완벽하게 제어할 수 있다”고 Zhang은 말했다. “또한 이것은 더 높은 푸리에 구성요소 때문에 원치 않는 비선형 신호를 제거할 수 있고, 비선형 재료에서 고조파 발생을 위한 수단으로 사용될 수 있다”고 Zhang은 덧붙였다. 

    이 새로운 연구결과는 Pancharatnam–Berry 또는 기하학적 위상을 기반으로 한다. 이것은 선형 광학에서 광 위상의 전달을 제어하는데 일반적으로 사용되는 핵심 개념이다. 실제로, 이것은 광 파장보다 더 작은 크기를 가진 금속 나노구조의 방향을 제어함으로써 수행된다. “광의 입사 원형 편광의 경우에, 재료 속의 소위 Berry 위상은 빔과 상대적인 나노구조의 배향 각도와 두 배”라고 그는 설명했다. “우리는 선형 광학에서 비선형 광학(고조파 발생)까지 Berry 위상 제어의 개념을 확장시키고, 비선형 재료 편광을 지속적으로 제어할 수 있다는 것을 증명했다. 이것은 비선형 광학에서 일어나는 것과 서로 다른 방식으로 발생하는데, 이것은 더 많은 광자들이 비선형 프로세스에 참여하기 때문이다. 특히, 광자의 경우에, 비선형 위상은 배향 각도에 (n+1) 또는 (n-1) 배이다. 따라서 우리는 2차원 또는 3차원 구조 속에 적절하게 설계된 금속 나노구조를 배열하고 각 나노구조의 배향을 조절함으로써 비선형 신호를 거의 조절할 수 있었다“고 Zhang은 언급했다.

    이번 연구진은 표면의 국부적인 지점에서 잘 정의된 비선형 위상을 가진 2차원 비선형 메타표면을 개발했다. 메타표면은 비선형 폴리머인 poly(9,9-dioctylfluorence)의 매우 얇은 층으로 코팅된 금 나노구조로 구성된다. “이러한 메타표면을 위한 주요 적용분야로 비선형 홀로그램을 들 수 있는데, 이것은 서로 다른 파장을 가진 임의의 빔 형태로 변환될 수 있게 한다”고 파더보른 대학(University of Paderborn)의 Thomas Zentgraf가 설명했다. “비선형성을 지속적으로 제어할 수 있는 이 새로운 방법은 비선형 포토닉스 결정 및 회로에서 사용되는 재료를 만들 수 있게 하고, 저-손실 비선형 유전체 나노구조로 만들어진 3차원 메타표면으로 확장될 수 있을 것”이라고 그는 덧붙였다.

    이번 연구진은 이러한 3차원 메타물질을 개발할 계획을 가지고 있다. “우리는 비선형 광 전환 효율을 매우 향상시키기 위해서 이런 시스템 속에 양자 우물과 같은 활성 구조들을 결합시킬 계획을 가지고 있다”고 Zhang은 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 “Continuous control of the nonlinearity phase for harmonic generations” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nmat4267).

    그림. 메타표면 나노구조.
  • 키워드 : 메타물질, 비선형, 나노구조
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑