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서울대, 순수 횡 방향 각운동량 갖는 빛의 상태 구현
박남규 교수팀 연구 결과
2018년 05월 21일 (월) 09:41:57
   
 

[대학저널 신효송 기자] 서울대학교(총장 성낙인) 공과대학(학장 차국헌) 전기정보공학부 박남규 교수팀이 빛의 각운동량을 고전적인 종(longitudinal) 방향만이 아니라 횡(transverse) 방향의 임의 상태로 제어할 수 있는 메타 물질을 세계 최초로 개발했다. 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 5월 15일자 온라인에 게재됐다.

최근 빛의 각운동량인 스핀(spin)이 주목받고 있다. 스핀이란 회전 특성을 수치화하는 물리량으로써 파동의 전파 방향과 스핀 축의 방향이 서로 나란한 종방향 스핀과 파동 전파 방향과 스핀 축이 서로 수직한 횡 방향 스핀이 가능하다.

빛과 같은 횡파는 진공 중에서 빛의 진행방향과 평행한 1차원적인 종 방향 스핀만을 가질 수 있다고 알려져 있었다. 이는 양자역학에서 전자가 가질 수 있는 3차원 자유도의 스핀보다 매우 제한된 형태다.

이에 박남규 교수팀은 물리학 분야에서 매우 주목받고 있는 위상(Topology, 2016년 노벨상을 수상)의 개념을 도입했다. 빛의 각운동량 분포가 매질 특성에 따라 결정됨에 착안해 서로 다른 위상 정보를 가지는 이종의 매질을 접합시킬 경우 전 공간에서 순수한 횡 방향 스핀의 구현이 가능함을 이론적으로 제시, 확인했다.

또한 이러한 위상 정보를 실제적으로 구현하기 위해 최근 광학 및 파동 과학 분야에서 주목받고 있는 메타 물질, 특히 영(0)굴절 부근의 쌍곡선 메타물질을 도입해 해결했다.

논문의 제 1저자 박현희 박사는 “위상이 다른 매질 간의 조합과 빛의 운동량 위상을 결합해 완전히 새로운 스핀 특성을 얻었다”며 “이번 연구는 매질 내부에서 빛의 운동량 정의에 대한 아브라함-민코프스키 논쟁을 해결할 실마리를 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.

박남규 교수는 “이번 연구를 통해 빛의 종 방향이나 횡 방향 스핀을 하향식으로 설계하는 기법을 제시했다”며 “양자 컴퓨터에서 주목받는 양자 모사 기법이나 유체 역학 등에 적용 가능할 것”이라고 전했다.

한편 해당 연구는 서울대 전기·정보공학부 박남규 교수, 박현희 박사, 유선규 박사가 수행했다. 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 사업(파동에너지 극한제어 연구단)과 해외우수신진연구자유치(KRF) 사업, 교육부의 대통령 Post-Doc.펠로우십 과제의 지원을 받았다.


신효송 기자 shs@dhnews.co.kr
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