조명 제어 혁신

May 20, 2023

작성자: 포항공과대학교(POSTECH)2023년 5월 24일

수직 입사광을 단방향 SPP로 변환하는 메타그리드의 개략도. 메타그레이팅의 단위 셀은 두 개의 서로 다른 나노구조로 구성되어 있으며 맞춤형 광학 손실을 유도합니다. 신용: 포스텍

한국 포스텍과 미국 노스이스턴 대학의 과학자들은 비 에르미트 메타 격자를 사용하여 빛을 성공적으로 조작하여 광학 손실을 유익한 도구로 전환했습니다. 그들은 특별히 설계된 메타 격자 커플러를 사용하여 빛의 방향을 제어하는 ​​새로운 방법을 개발했습니다. 이 획기적인 발전은 양자 센서 연구를 발전시키고 질병 진단 및 오염 감지와 같은 다양한 새로운 응용 분야로 이어질 수 있습니다.

빛은 매우 섬세하고 취약한 물리적 현상입니다. 빛은 물질의 성질에 따라 물질의 표면에서 흡수되거나 반사될 수도 있고, 형태가 바뀌어 열에너지로 변환될 수도 있습니다. 금속 물질의 표면에 도달하면 빛은 금속 내부의 전자에 에너지를 잃는 경향이 있는데, 이는 우리가 "광학 손실"이라고 부르는 광범위한 현상입니다.

빛을 다양한 방식으로 활용하는 초소형 광학소자를 생산하는 것은 광학 부품의 크기가 작을수록 광 손실이 커지기 때문에 매우 어렵습니다. 그러나 최근에는 광손실을 전혀 다른 방식으로 활용하는 비에르미트 이론(Non-Hermitian Theory)이 광학 연구에 적용되고 있다. 광학 손실을 광학 시스템의 불완전한 구성 요소로 인식하는 일반 물리학과 달리 광학 손실을 포용하는 비에르미트 이론을 채택하여 이 현상을 활용하는 방법을 모색하는 물리학의 새로운 발견이 이루어지고 있습니다. '변장된 축복'은 처음에는 재앙인 것처럼 보이지만 궁극적으로는 행운을 가져오는 것입니다. 이 연구 이야기는 물리학의 변장된 축복입니다.

메타그레이팅에 입사되는 빛의 시각화 및 단방향 SPP로의 변환. (시뮬레이션) 출처: POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances).

금속 표면에 빛이 입사하면 금속 내부의 전자가 광파와 함께 집합적으로 진동합니다. 이 현상을 표면 플라즈몬 폴라리톤 또는 SPP라고 합니다. SPP의 방향을 제어하기 위한 보조 장치로 '격자 커플러'가 널리 사용됩니다. 직각 입사광을 의도하지 않은 방향의 SPP로 변환한다는 점에서 장치의 효율성이 제한됩니다.

오른쪽으로 전파되는 SPP와 메타그레이팅에 의해 반사되는 SPP 사이의 간섭 패턴 관찰. 메타그레이팅의 단방향성으로 인해 SPP는 메타그리드를 통해 반대 방향으로 전송하지 않습니다. 신용: 포스텍

연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 비에르미트 이론을 적용했다. 먼저 팀은 특정 광 손실이 발생하는 이론적 예외 지점을 계산했습니다. 그런 다음 특별히 설계된 비 에르미트 메타 격자 커플러를 사용한 실험을 통해 그 효과를 검증했습니다. 메타 격자 커플러는 다른 격자 커플러로는 거의 불가능했던 SSP의 단방향 제어를 제공하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 그들은 또한 메타 격자의 크기와 거리를 제어하여 빛과 SPP가 반대 방향으로 전파되도록 할 수 있습니다. 연구팀은 동일한 메타 격자 장치를 사용하여 입사광을 SSP로 다시 일반 빛으로 변환하는 데 성공했습니다.