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2018/07/31 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 헤드라인

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[이달의 연구자] 송석호 교수(물리학과)

양자적 이론을 도입해 나노 광학의 길을 열다

황유진

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/PXGg

내용
 
광학은 빛에 관련된 현상을 다루는 물리학의 한 분야다. 렌즈, 현미경, 레이저, 광섬유 등 현시대 기술발전에 중심적 역할을 하고 있다. 학자들은 더 나아가 빛의 속도를 활용하고자 했다. 빛을 나노 단위로 집속시켜 전송하고, 계산이 가능하게끔 하는 것이 ‘나노 광학’이다. 하지만 나노 단위로 빛을 국소화하니 전송과정에서 큰 에너지 손실이 생겼다. 나노 광학의 발전을 위해선 반드시 극복해야 할 물리적 한계였다. 최근 송석호 교수(물리학과)가 그것에 대한 해결책을 제시하며 세계의 이목을 사로잡았다.

 

 
나노 광학의 기반을 마련하다
 
나노 광학 분야는 나노과학 기술에 기반을 두고 있다. 빛과 물질 간의 상호작용을 국소적으로 제어하기 위해 물질의 굴절률 분포를 수십 나노미터 크기로 형성할 수 있는 기술이다. 그러나 빛을 파장 이하로 국소화 시키게 되면 물질의 흡수특성에 의해 에너지 손실이 급격하게 증가하는 물리적 한계를 보인다. 이는 지난 20여 년 간의 나노기술과 광 과학 간의 융합연구가 실용화로 가지 못했던 주요 원인이었다.  송석호 교수의 연구 주제가 가히 혁신적인 이유다.
 
▲ 송석호 교수(물리학과)와 지난 26일 자연과학대에 위치한 연구실에서 인터뷰를 진행했다. 송 교수는 나노 광학에 열린-양자역학(Open quantum mechanics)이론을 도입, 물질이 가지는 물리적 한계를 극복하고자 했다.
 
송 교수는 빛을 나노미터 크기로 국소화 할 때 발생하는 손실문제를 해결하기 위해 열린-양자역학(Open quantum mechanics) 이론을 가져왔다. 기존 광도파로(빛 에너지가 이동하는 경로)에 빛을 전송할 경우 양방향으로 빛에너지가 같이 전달되는 공간적 및 시간적 대칭성을 갖는다. 하지만 열린-양자역학 이론을 적용시키면 광도파로에 에너지 손실이 발생하는 경우, 이러한 PT 대칭성이 붕괴되고 단방향 변환(Unidirectional converter) 에너지 전달이 가능해진다. 송 교수는 이러한 반-PT 대칭성(anti-PT symmetry) 원리 및 단방향 변환 에너지 전달이 광파 영역에서 가능함을 처음으로 밝혀냈다. 순방향으로 빛 전파(Forward propagation)가 일어나면서 역방향 빛 전파(Backward propagation)는 투과되지 않고 분산된다. 이는 빛에너지를 손실을 줄여 한쪽 방향으로 흐르게 하는 회로를 구성한 것으로, 쉽게 말해 나노 크기의 광-다이오드가 탄생한 것이다. 
 
▲ 송석호 교수와 연구팀이 제안한 광도파로형 다이오드 구현방법. PT 대칭성을 갖는 광도파로 구조도(왼쪽)에 붕괴가 일어나게 유도하여 순방향으로만 빛 전파(Forward propagation)가 일어난다(오른쪽). (송석호 교수 제공)

송 교수와 연구팀은 반-PT 대칭 구조를 갖는 광학적 구현방법을 증명하기 위해 전기적 공명회로를 만들어 실험을 진행했다. 결과는 성공적이었다. 전기회로상에서도 에너지 손실을 줄여 단일방향으로 에너지가 흐르게 했다. 이는 지난 6월 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 논문으로 게재되어, 열린-양자역학 개념을 도입해 기존 나노광학의 한계를 돌파할 수 있는 발판을 마련했다는 평을 받았다.
 
미지의 학술 영역을 개척하는 연구 정신
 

이번 네이처 논문 검증실험은 학부실험 수업에서 볼 수 있는 간단한 전기회로로 만들어졌다. 이는 송 교수의 연구철학과 맞닿아 있다. “학부생도 수업시간을 통해 이해할 수 있는 간단한 이론으로 새로운 개념을 도출해내고자 했죠. 복잡한 것을 간단하게 풀어내는 것이 물리학자가 하는 일이라고 생각합니다.” 누구나 기술접근에 어려움이 없어야 한다고 말한다. 그만큼 송 교수의 검증실험은 간단하고 빠르게 진행된다. 연구에 들이는 시간이 남들과 다르기 때문이다. “연구 콘셉트를 최대한 간단명료하게 만들기 위해 더 많은 시간을 들이죠. 검증에 시간이 오래 걸리면 콘셉트가 문제라고 생각해요.” 검증에 걸리는 시간을 줄이고 더 혁신적인 연구 방법을 찾아내는 것에 집중하는 송 교수다.
 
이번 연구도 아이디어 도출에만 4~5년이 걸렸다. 긴 시간의 노력 끝에 전기회로 검증실험은 한두 달으로 마무리됐다. 송 교수는 이번 연구로 막혀있던 광학 분야에 새로운 가능성을 열어 기쁘다고 말한다. 앞으로 더 넓고 다양한 광학 분야에 새로운 연구 방향을 잡고자 한다. “나노 광학은 아주 무궁무진한 분야입니다. 새로운 접근방법으로 계속해서 개척해 나가고 싶습니다.”
 
▲ 연구원들에게 실험 시 명시해야 할 점에 관해 설명하는 송석호 교수의 모습. 기존 물리적 한계를 극복하려는 시도와 함께, 미지의 학술 영역을 개척하고자 노력하는 그의 연구가 기대된다.


글/ 황유진 기자          lizbeth123@hanyang.ac.kr
사진/ 최민주 기자
       lovelymin32@hanyang.ac.kr
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