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스핀-궤도 결합 없는 3차원 위상절연체 구현-피복 없이 외부면에서 위상학적 표면파 흐르는 3차원 광학 시스템 개발

하이거 2022. 8. 18. 17:18

스핀-궤도 결합 없는 3차원 위상절연체 구현-피복 없이 외부면에서 위상학적 표면파 흐르는 3차원 광학 시스템 개발

 

등록일2022.06.24.

 

 


스핀-궤도 결합 없는 3차원 위상절연체 구현 
피복 없이 외부면에서 위상학적 표면파 흐르는 3차원 광학 시스템 개발
  

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 노준석 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주기적인 3차원 구조체*를 설계하여 스핀-궤도 결합**이 없는 3차원 위상절연체를 구현했다고 밝혔다.
 ○ 이는 기존에 3차원 위상절연체 구현을 위해 스핀-궤도 결합이 필수적 이었던 것과는 차별화된 성과이다.
   * 주기적인 3차원 구조체 : 주기적으로 배열된 3차원 형상의 구조체. 주기적으로 배열된 원자 또는 분자로 구성된 자연적 물질을 모방하여 만든 인공적 물질.
   ** 스핀-궤도 결합 : 물체의 자전과 진행방향이 서로 연관되어 있음을 뜻함. 축구에서 공에 회전을 넣으면 직진하지 않고 휘는 것이 그 예시임.

□ 3차원 광학 위상절연체란 내부로는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐르게 하는 물질이다.
 ○ 이렇게 발생된 표면파*는 표면 상태에 관계없이 절연체 특성에 따라 항상 존재하여, 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다.
    * 표면파 : 표면에서 흐르는 파동. 여기에서는 위상절연체의 외부 표면 또는 경계면에서 흐르는 빛을 뜻함. 
 ○ 그러나 기 발표된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어, 절연체의 외부 표면이 아닌 서로 다른 두 절연체 사이의 경계면에서만 표면파가 나타난다는 문제가 있으며,
 ○ 이러한 표면파는 물체의 내부에서 흐르는 특성상 외부에서는 표면파로의 접근이 어려워 응용에 한계가 있었다.

  □ 이에 연구팀은 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 서로 다른 두 가지의 방향성을 보이는 점에 착안, 이러한 전자기장 분포가 스핀의 역할을 대체할 수 있음을 발견하였다.
 ○ 이를 통해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현하여 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 검증하였다. 

□ 본 연구에서 발표한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 외부 겉면에서 표면파를 가짐에 따라, 표면파 발생을 위해 인공적으로 피복 등을 감싸지 않아도 될 뿐만 아니라 표면파의 측정 또한 쉬워 응용성이 높은 장점이 있다.
 ○ 또한, 무피복 광통신 구현 가능성을 통해 통신 시스템 단순화 및 소형화에 실마리를 제공 할 것으로 기대된다.

□ 현재는 3차원 공정의 어려움으로 인해 수십 밀리미터의 파장을 가진 마이크로웨이브에서만 작동이 가능하나, 이광자리소그래피*와 같은 나노스케일의 3D 프린팅 공정을 이용한다면 수백 나노미터의 파장인 근적외선이나 가시광선 영역에서 구현 가능할 것이다.
  * 이광자리소그래피 : 빛에 반응하는 물질에 빛을 조사하여  나노/마이크로 스케일의 3차원 형상을 만드는 공정 기법

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 세종과학펠로우십사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 17일 온라인 게재되었다. 


주요내용 설명

 <작성 : 포항공과대학교 노준석 교수>

논문명
Three-dimensional photonic topological insulator without spin-orbit coupling
저널명 
Nature Communications
키워드 
Topological insulator (위상절연체), spin-orbit coupling (스핀-궤도 결합), topological surface states (위상학적 표면파), photonics (광학), electromagnetics (전자기학)
DOI
10.1038/s41467-022-30909-0
저  자
노준석 교수(교신저자/포항공과대학교), 김민경 박사(제1저자/포항공과대학교), 지하오 왕(Zihao Wang)(공동1저자/난양공과대학교-NTU), 이하오 양 (Yihao Yang) 박사(공동1저자/난양공과대학-NTU), 하우 티안 테오 (Hau Tian Teo) (공동저자/난양공과대학교-NTU), 바이러 장 (Baile Zhang) 교수(공동교신저자/난양공과대학교-NTU)


1. 연구의 필요성
 ○ 3차원 광학 위상절연체는 내부에는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐를 수 있는 물질이다. 이러한 표면파는 표면 상태에 관계없이 절연체의 특성에 따라 항상 존재하여 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다. 그러나 기 발표된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어 절연체의 외부 표면이 아닌 두 절연체 사이의 경계면에서만 이러한 표면파가 나타난다는 문제가 있었다.
   ※ 스핀-궤도 결합 : 물체의 자전과 진행방향이 서로 연관되어 있음을 뜻함. 축구에서 공에 회전을 넣으면 직진하지 않고 휘는 것이 그 예시임.

 2. 연구내용 
 ○ 연구팀은 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현하였다.
 ○ 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 두 개의 서로 다른 양상을 보이는 점에 착안하여 이러한 전자기장 분포가 스핀을 대체할 수 있음을 보였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체를 설계하고 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 실험적으로 검증하였다. 
 ○ 스핀-궤도 결합이 있는 위상절연체의 표면파는 두 절연체 사이의 경계면에서만 나타냈으나, 본 연구에서 발표한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 피복 없이 외부 겉면에서 표면파를 가진다. 따라서 전체 시스템을 소형화할 수 있으며 무피복 광통신을 구현할 수 있다. 



그림 설명






(그림1) 위상절연체 모식도

(왼쪽) 기존 위상학적 절연체와 (오른쪽) 본 연구에서 발표한 위상절연체 모식도. 
- 기존의 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필수였던 것과 달리 본 연구에서 발표한 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필요없으며 독특한 비선형적 분산 관계를 가짐.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 노준석 교수 







그림 설명


(그림2) 위상절연체가 가지는 표면파 모식도
- (왼쪽) 스핀-궤도 결합 기반의 위상절연체에서는 서로 다른 두 절연체의 내부 경계면에서 표면파가 나타나는 것과 달리 (오른쪽) 스핀-궤도 결합이 없는 위상절연체는 외부 표면에서 표면파를 가짐

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 노준석 교수 



연구 이야기

                                      <작성 : 포항공과대학교 노준석 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

2011년 MIT의 Liang Fu 교수가 발표한 Topological crystalline insulators 라는 논문이 있습니다. 기존의 위상절연체를 구현하기 위해서는 스핀-궤도 결합이 필수적이었던 것과 달리 스핀-궤도 결합 없이도 위상절연체를 만들 수 있다는 내용입니다. 10년도 더 지난 지금까지 1,000회 이상 인용되며 널리 읽히고 있는 훌륭한 논문임에도 실험적 구현이 한 번도 보고되지 않았습니다. 인공적으로 설계된 메타물질이나 광결정을 이용하면 광학에서 이를 구현할 수 있지 않을까 하여 연구를 시작하게 되었습니다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

빛은 전자의 스핀 상태를 가지고 있지 않아 광학에서 위상절연체를 설계하는 데에는 어려움이 있습니다. 따라서 스핀 없이도 위상절연체를 구현하기 위해 인공적으로 설계된 3차원 형상 내에서의 빛의 전기장 분포를 이용했습니다. 빛의 전기장이 두 가지의 서로 다른 분포를 가질 수 있다는 점에 착안해서 스핀을 대체할 수 있음을 보였습니다. 싱가폴 난양공과대학교(NTU) 바이러 장 (Baile Zhang) 교수 연구팀과 공동연구로 진행하였습니다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

지난 10여년간 아무도 실험적으로 구현을 하지 못하여, 해낼 수 있을지 혹은 기존 이론이 잘못된 것은 아닌지 등에 대해서 걱정을 했으나, 계산 과정에서 수차례 검증을 하고 신중하게 모델링을 하여, 단 한 번의 제작과 실험으로 해당 실험결과를 얻을 수 있었습니다. 이렇게 신중할 수 밖에 없었던 이유는 국내에서는 해당 구조를 만들 수 있는 그룹이나 회사가 없었습니다. 그래서 중국에 있는 업체에서 디바이스를 만들고, 관세 등의 문제로 이를 바로 싱가폴로 반입할 수 없고, 국내로 먼저 반입 이후 다시 싱가폴로 반출하는 절차를 거치다보니 배송에만 2개월 가까운 시간이 걸렸습니다. 제작 가격은 2천만원 상당이었기 때문에, 한 번이라도 실수하면 큰 비용과 오랜 시간이 걸려 연구가 지체될 수 있어, 재차 삼차 신중하게 설계를 하였기에 한 번의 과정으로 끝낼 수 있었습니다. 또한 초기의 계획은 디바이스를 싱가폴로 보내 노준석 교수와 김민경 박사가 직접 방문하여 실험을 직접 수행하려고 했으나, 코로나로 인하여 난양공과대학교를 직접 방문할 수가 없었습니다. 따라서 싱가폴 공동연구진에게 양해를 구하고 한명의 학생을 실험에 투입하였고, 본 연구진이 가이드를 해가며 최종 실험적 검증을 마무리할 수 있었습니다.




□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 광학 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 기반으로 하여 서로 다른 두 절연체의 내부 경계면에서 위상학적 표면파가 존재했습니다. 반면 본 연구에서는 절연체의 외부 겉면에 위상학적 표면파가 존재하여 피복 없이도 기존의 현상을 구현할 수 있음을 검증했습니다. 지난 십수년간 난제였던 문제를 풀었다는 뿌듯함도 있습니다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

내부 경계면이 아닌 외부 겉면에서 표면파가 존재한다는 점에서 시스템이 간소화지고 소형화될 수 있고 무피복 광통신에도 쓰일 수 있습니다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 


나노 수준 크기의 구조를 만들 수가 없기에 마이크로웨이브파 영역에서 실험을 했지만, 향후 다양한 공정 방법을 이용하여 작은 구조를 만들고 이를 더 짧지만 유익한 파장인 근적외선, 가시광선 등에서 구현하고자 합니다.



□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?


본 연구는 Nature Materials 지에 투고가 되어 리뷰를 받고 3명의 리뷰어에게 모두 좋은 평가를 받았으나. 이런 저런 이유로 최종 accept 되지 못하고, 에디터들 끼리 상의하여 바로 Nature Communications 에 출판을 시켜주는 특이한 경험을 하였습니다.