초고속 레이저와 위상절연체의 플라즈몬을 활용해 전자의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있는 신기술이다. 이 연구성과는 극한환경 조건 하에서도 활용할 수 있는 초고속 센서, 통신기기, 의료, 군사기술 등에 응용가능성이 커서 더욱 이목을 끌고 있다.
이 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인에 지난달 30일 오후 7시(한국시간) 게재됐다. 논문명은 ‘Ultra-high modulation depth exceeding 2,400% in optically-controlled topological surface plasmons’다.
현대의 첨단 산업에서 쓰이는 첨단 기술은 대부분 전자공학적 기술을 바탕으로 이루어지기 때문에, 만약 이러한 제어가 가능하다면 빛에 의해 동작하는 더욱 정교하고 빠른 새로운 기술이 도래할 것이라고 기대할 수 있다. 불행히도 아직 인류의 기술은 전자 하나하나의 움직임을 빛으로 정밀하게 제어하는 데까지는 미치지 못했다.
‘플라즈몬(plasmon)’이라고 불리는 현상은 물질 내 전자의 집단적인 진동상태를 지칭한다. 1952년 데이비드 파인스(David Pines)와 데이비드 봄(David Bohm)에 의해 밝혀진 이래로 다양한 분야에서 개발이 이뤄졌으나, 전자의 집단적 진동 주파수 및 움직임 등을 마음대로 제어하는 기술은 아직까지 미진하다. 만약 정밀하고 효율적인 제어가 가능하다면 초고속 센서, 통신기기, 의료 등 다양한 분야에서 응용이 가능하기 때문에 미국, 유럽을 비롯한 세계의 다양한 연구그룹에서 수많은 시도를 하고 있다.
최 교수팀의 이번 연구성과는 2010년 노벨 물리학상의 주제인 그래핀(탄소 원자 1층으로 이루어진 2차원 물질)의 변조율을 20배 이상 뛰어넘는 괄목할만한 성과다.
연구진은 새로운 전자 시스템인 ‘위상절연체(topological insulator)’에 주목했다. 2010년 프린스턴 대학의 자히드 하산(Zahid Hasan) 교수에 의해 최초로 발견된 3차원 위상절연체 물질의 내부는 전류가 통하지 않는 보통 절연체이지만 표면은 특수한 금속 상태로 전류를 통과하는 특성을 갖는다. 흥미롭게도 위상절연체 표면의 금속적인 상태는 보통 금속과는 달리 ‘질량이 없는’ 마치 그래핀과 유사한 상대론적 상태로 이루어져 있어, 최근 미국과 유럽을 비롯한 선도 연구그룹으로부터 새로운 전자소자공학 및 반도체 소자를 구현할 수 있는 신개념 물질로 각광을 받아오고 있다.
본 연구에서는 초고속 레이저 광펄스를 이용하여 위상절연체 플라즈몬의 움직임을 제어했는데, 플라즈몬 현상은 센서 및 변조기 등의 광전자 소자를 비롯해 생물학 및 의약을 비롯한 과학 전반에 걸쳐 다양하게 이용되는 현상이다. 따라서 본 연구에서 입증한 초고속 레이저를 이용한 2400%에 달하는 위상절연체 플라즈몬의 초고도 변조율을 이용한다면, 민감성이 극도로 증대된 센서 및 고도의 효율을 갖는 광변조기 등의 개발이 가능할 것이다. 이뿐만 아니라 최근 투명망토 등의 응용기술 개발로 각광받는 메타물질도 그 근원을 따져보면 결국 플라즈몬 공진에 기초한다는 것을 고려하면 본 연구가 고성능의 메타물질 기반 군사기술 등의 응용에도 이용될 수 있다.
전자의 집단적 움직임이 작동하는 주파수 영역이 테라헤르츠임을 감안하면 그 응용가능성은 더욱 확대될 것으로 보인다. 테라헤르츠파는 엑스레이와는 달리 인체에 무해하며 암 조직과 정상 조직에 대해 일정 수준 이상의 명암비를 갖는 것으로 알려져 있어 의료 영상용으로 적합하며 그래핀, 고온 초전도체, DNA와 같은 여러 시스템의 동적 현상의 연구에도 필수적이기 때문에 초고성능을 갖는 의료장비 및 물성탐지 시스템에도 활용될 것으로 보인다.
또한 주목할 만한 점은 본 연구에서 사용된 위상절연체는 일반 금속과는 달리 위상학적으로 전자의 흐름이 보호되기 때문에 외부의 다양한 조건, 특히 온도 변화가 극심한 조건에서도 질량이 없는 상대론적 특성을 잃지 않고 잘 보존된다. 이러한 특징은 지금까지 꿈의 신소재라 불리는 그래핀의 한계를 단숨에 뛰어넘는 성질로 복잡한 공정과정을 거치는 소자 및 집적회로에 위상절연체가 장착된다고 하더라도 고효율 작동이 계속 유지될 것으로 기대된다. 따라서 위상절연체 플라즈몬 소자는 실생활뿐만 아니라 우주나 극지방와 같은 극단적 환경에서 동작하는 미래산업의 전자 소자의 핵심 기술로서 여겨질 가능성이 매우 높을 것이라고 기대된다.
본 연구는 연세대학교 전기전자공학부 최현용 교수(교신저자)와 박사과정 심상완 학생(제1저자)이 주도하고, 연세대 전기전자공학부 안종현 교수, 포스텍 조문호 교수, 미국 Rutgers 대학의 오성식 교수가 공동으로 참여했다.