- 서울대-Caltech 공동연구진 광소자 신기술 성공 Nature 게재 -
서울대학교 물리천문학부 박제근 교수 연구진과 캘리포니아 공과대학 (Caltech) 물리학부 D. Hsieh 교수 연구진은 반데르발스 물질 MnPS3에서 양자 플로켓 공학 기술을 구현하여 세계적 학술지인 Nature에 12월 9일 발표하였다.
플로켓 공학 기술(Floquet engineering)은 물질의 전기적, 자기적, 그리고 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 신개념의 광소자 기술이다. 이런 중요성 때문에 최근 플로켓 공학에 대한 이론 연구가 급격하게 늘어나고 있는 추세이다. 이 기술을 실제로 구현하게 된다면 응집물질물리 분야 뿐 아니라, 재료과학 또는 광학 분야에서도 활용도가 높아 학술적인 측면은 물론 응용적인 측면에서도 매우 중요하다.
플로켓 공학의 핵심은 강한 빛으로 물질에 주기적 구동을 가하여, 전자 밴드 구조를 결맞게 조절하는 것이다. 지금까지는 강한 빛의 세기로 인해 물질에 심각한 발열이 발생하거나 손상까지도 발생할 우려가 있었고, 실험적으로도 약한 빛의 세기(~107 V/m)를 이용한 연구가 전부였다. 좀 더 일반적인 플로켓 공학을 논하기 위해서는 강한 빛의 세기(〉109 V/m)를 이용한 실험적 구현이 필요하다. 연구진은 반데르발스 자기 절연체인 MnPS3에서 〉109 V/m 수준의 강한 빛을 이용하여 결맞은 밴드 구조 조절을 구현하는데 성공하였다.
연구진은 MnPS3 시료에 가하는 빛의 세기와 편광을 조절하여 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인하고, 플로켓 밴드 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 규명하였다.
연구진은 가장 낮은 Mn의 d-d 전이(transition)로부터 아주 먼 이탈공명(far off-resonance)을 구동하여, 광학적 2차 고조파 발생 효율(optical second harmonic generation efficiency)의 결맞은 온오프 전환(coherent on-off switching)을 100펨토초 시간 수준 동안 어떠한 소실을 보이지 않고 관측할 수 있었다. 구동 전위가 109V/m 수준이 되었을 때, 온오프 비율(on-to-off ratio)은 10을 초과하는 것도 발견하였다.
연구진은 이 실험결과를 설명하기 위해서 MnPS3의 단일 이온 모형(single-ion model)을 기반으로 한 플로켓 이론(Floquet theory) 계산을 통해, 관측된 고조파 발생 세기의 변화량을 이론적으로도 설명하였다.
박제근 서울대 물리천문학부 교수는“이번 연구성과는 양자 플로켓 공학 기술을 실제 물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것이다”라고 의미를 밝혔다.“특히 자성 반데르발스 물질에서 이런 새로운 광소자 개념을 구현함으로써 이 분야의 연구에 새로운 돌파구를 열었다”라고 강조하였다.
이 연구는 연구재단 리더연구의 지원으로 진행되었고, 박제근 교수 그룹과 미국 D. Hsieh 교수 연구진의 국제 공동연구로 이루어졌다.
[연구결과]
Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering
Jun-Yi Shan, Mengxing Ye, Hao Chu, Sungmin Lee, Je-Geun Park, Leon Balents & David Hsieh
(Nature, 600, 235 (2021))
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04051-8
플로켓 공학 기술은 물질의 전기적, 자기적, 그리고 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 매우 유용한 기술로 기대받고 있다. 빛을 이용한 강한 주기적 구동(periodic driving)으로 초고속 시간 단위에서 양자 물성을 결맞게 조절하는(coherently manipulate) 가능성을 보여주고 있다. 최근 광학적인 방법으로 비자명한 밴드 위상(non-trivial band topologies)이나 창발적 스핀 상호작용(emergent spin interactions), 심지어 초전도성을 유도하는 등, 전기적 또는 자기적 성질들을 바꾸는 여러 전략들이 고안되고 있는 것은 전 세계적인 추세이다.
박제근 서울대학교 물리학과 교수 연구진과 D. Hsieh 캘리포니아공과대학 물리학과 교수 연구진은 자성 반데르발스 물질로 절연체(van der Waals layered magnetic insulator)인 MnPS3를 활용하여, 광학적 비선형성(optical nonlinearity)을 크게 조절하고 결맞게 조종할 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 기존에는 약한 빛의 세기(~107 V/m)를 이용한 연구만 있었는데, 이번 연구는 강한 빛의 세기(〉109 V/m)를 이용하여 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.
더 나아가, 연구진은 MnPS3의 단일 이온모형(single-ion model)을 기반으로 한 플로켓 이론(Floquet theory) 계산을 수행하였다. 그 결과, MnPS3 시료에 가하는 빛의 세기와 편광을 조절하여 얻은 2차 고조파 발생(Second Harmonic Generation) 세기의 변화량 실험값과 플로켓 밴드 구조 계산을 통해 얻은 이론값이 일치함을 규명하였다.
이번 연구성과는 반데르발스 자성체의 강한 빛에 의한 광학적 성질 변화를 구체적인 실험으로 확인하고 이론적으로 계산해낸 것으로, 플로켓 공학 기술이 실제로 구현 가능하다는 것을 입증한 첫 사례이다. 더 나아가, 향후 다양한 절연체에 유사한 연구를 수행할 수 있으며, 물질의 다양한 물성들을 역학적으로(dynamically) 설계할 수 있는 방법을 보여주는데 그 의미가 있다.
[용어설명]
- ○강한 주기적 구동(periodic driving)으로 물질 내의 양자 시스템을 조종(control)하는 기술을 의미한다. 많은 이론적 제안과 연구가 이루어졌지만, 아직 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.
- ○자성을 띠는 새로운 2차원 물질로 박제근 교수가 2016년 세계 최초로 개발한 물질로서 기본적으로 자성을 띠면서 각 층간 상호작용이 약한 반데르발스 인력으로 결합된 구조를 말한다. 약한 반데르발스 인력으로 붙어있기 때문에, 테이프와 같은 접착물질로 분리하여 단분자층(monolayer)를 만들 수 있어 2차원 물성 연구에 활용되고 있다. 대표적으로 그래핀(Graphene)이 반데르발스 층간구조 물질이다.
- ○동일한 주파수를 가진 두 광자가 비선형 매질과 작용하여 새로운 광자를 발생시키는 현상이다. 이때 비선형 매질은 반전 대칭성이 없어야 하며, 연구에서 사용된 MnPS3는 반강자성 상전이가 일어나는 온도(78K) 이하에서 반전 대칭성이 깨지게 된다. 여기에 플로켓 공학을 활용하여, 강한 주기적 구동을 가하면 2차 고조파 발생 세기를 억누를 수 있음을 실험적으로 증명하였다.
[그림설명]
그림 1. MnPS3의 2차 고조파 발생 과정 및 반강자성 상전이에 따른 2차 고조파 발생 관측 데이터
MnPS3는 상전이 온도(TN) 이하에서 반강자성을 띄며, 이때 반전 대칭성이 사라지게 된다. 반전 대칭성이 사라진 상태에서는 2차 고조파 발생 현상을 관측할 수 있다.
그림 2. 강한 주기적 구동에 의한 2차 고조파 발생 세기 감소 및 빛의 세기와 편광에 대한 의존성의 실험값과 이론 계산값
강한 주기적 구동(빛)이 시료에 도달할 때, 시간에 따라 2차 고조파 발생(second harmonic generation) 세기 감소가 어떻게 나타나는지 보여준다. 연구진은 2차 고조파 발생 세기의 변화가 가해지는 빛의 세기와 편광 방향에 강하게 의존함을 확인하였다. 빛의 세기와 편광 방향에 따라 실험에서 얻은 2차 고조파 발생 세기 감소량이 이론적으로 계산한 값과 일치함을 알 수 있다.