김대식 교수, 빛의 세기 1억배 증폭 성공
[사진설명: 파장이 수㎜인 테라헤르츠파가 폭이 수십㎚인 금속 나노 구멍을 통과하는 모습. 구멍을 통과할 때 빛의 집속도가 1억배 정도 높아진다.]
"빛의 나노수준 초집속 첫 구현"
물리천문학부 김대식교수가 파장이 수㎜인 테라헤르츠파 영역의 빛을 폭이 수십 나노미터(㎚=10억분의1ｍ)인 금속 나노 구멍(slit)을 통해 통과시켜 빛의 세기를 1억배 증폭시키는 데 성공했다.
서울대 물리천문학부 김대식 교수와 교육과학기술부 지원 우수연구센터인 파장한계광학연구센터 연구진은 24일 파장이 1.5㎜인 테라헤르츠파를 폭이 50㎚에 불과한 금속 나노 구멍을 통해 통과(집속)시키는 실험에 처음으로 성공했다고 밝혔다.
이 연구결과는 '네이처' 자매지로 광학분야 전문학술지인 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)' 23일자 인터넷판에 소개됐다.
주기적으로 배열된 금속 나노 구멍을 통해 빛을 통과시킬 때 금속 표면의 전자들이 집단적으로 진동하는 플라즈몬에 의해 빛의 투과 특성이 향상되는 현상이 나타나며 이런 현상은 지금까지 파장이 수백㎚인 가시광선 영역에서 주로 연구돼 왔다.
이런 구조에서 입사광은 파장의 절반 크기보다 훨씬 작은 구멍을 효율적으로 투과하게 된다. 하지만 이는 구멍의 폭이 파장의 10분의1~100분의1 정도에서는 가능하지만 파장이 수㎜에 이르는 테라파를 파장의 1만분의1 크기의 나노 구멍으로 집속시키는 것은 어려운 것으로 알려져 있었다.
특히 테라파는 인체에 무해한 파장 대역이면서 인체 내의 여러 세포가 방출하는 빛의 파장대이기 때문에 의료 장비나 보안, 검색 장비 등 응용 사례가 늘고 있으며 최근 이에 대한 연구도 활발해지고 있다.
연구진은 이 연구에서 금속 표면에 만든 수십㎚ 크기의 나노 구멍이 마치 깔때기를 통해 물이 통과하는 것처럼 빛을 집속시켜 통과시킨다는 사실을 밝혀냈다.
빛이 금속 나노 구멍을 통과할 때 금속표면에 전자들이 집단으로 진동하면서 구멍 주변에 전하들이 모이고 이렇게 모인 전하가 아주 큰 전기장을 형성하며 이렇게 형성된 큰 전기장이 빛을 집속시키고 투과시키는 '깔때기 효과'를 일으킨다는 것이다.
물이 깔때기를 통과할 때는 좁아진 곳에서 물의 속도가 빨라지지만, 빛의 경우에는 속도가 빨라질 수 없기 때문에 빛의 에너지밀도(세기)가 그만큼 높아지게 된다.
김 교수는"파장의 1만분의1 밖에 안되는 구멍을 통과할 때 빛은 세기가 원래보다 1억배나 강한 어마어마한 집속도를 갖게 된다"며"이런 센 빛은 비선형성 유도나 얇은 박막 연구, 플라즈몬을 이용한 태양전지 효율 향상 등에 사용될 수 있다"고 말했다.
2009. 2. 20
서울대학교 홍보부