박남규 서울대 연구팀, 횡방향 운동 '빛의 상태' 세계 최초 구현

박남규 서울대 교수팀, '피지컬 리뷰 레터스'에 온라인 게재

"빛의 종방향, 횡방향 스핀을 하향식으로 설계하는 기법 제시"

"양자 모사 기법이나 유체 역학 등에 적용 가능할 것"

박남규 서울대 전기정보공학부 교수

【서울=뉴시스】최선윤 기자 = 서울대 공대는 박남규 전기정보공학부 교수팀이 빛의 각운동량(회전운동하는 물체의 운동량)을 고전적인 종방향만이 아니라 횡방향의 임의 상태로 제어할 수 있는 메타 물질을 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

 파동은 진동 방향과 전파 방향에 따라 횡파와 종파로 나뉜다. 예를 들어 기타 줄처럼 위 아래로 진동하며 에너지를 전파하는 횡파가 있는 반면, 스프링은 서로 나란하게 에너지가 전파되는 종파가 된다. 빛과 같은 전자기장은 횡파의 대표적인 예로 빛은 진공 중에서 전파 방향에 수직한 전자기장의 진동만으로 구성된다.

 빛이 어떤 성질을 갖고 있는지는 광자가 갖고 있는 여러 물리량에 의해 정의된다. 예를 들어 주파수는 빛이 얼마나 시간에 따라 빨리 진동하는지를, 운동량은 공간상에서 얼마나 빨리 진동하는지를 나타낸다.

 최근에는 빛의 각운동량인 스핀이 주목받고 있다. 스핀이란 회전 특성을 수치화하는 물리량으로 파동의 전파 방향과 스핀 축의 방향이 서로 나란한 종방향 스핀과 파동 전파 방향과 스핀 축이 서로 수직한 횡 방향 스핀이 가능하다.

 하지만 고전적 광학에서는 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.

 최근의 나노광학 연구에서는 빛을 강하게 집속할 경우 국소적으로 서로 반대방향의 횡 방향 스핀 쌍을 얻을 수 있다는 결과가 있지만, 전체적으로는 스핀 값이 상쇄돼 단일한 방향의 스핀을 얻는 것이 불가능하고, 관측하기도 힘들었다.

 이에 박남규 교수팀은 물리학 분야에서 매우 주목받고 있는 위상의 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.

 박남규 교수는 “이번 연구를 통해 빛의 종방향이나 횡방향 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. 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 5월15일자 온라인에 게재됐다.

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