[한 토막 과학상식]빛이 경계면 따라 흐르는 광스핀홀 효과란 무엇인가

포스텍-KAIST공동 개발

노준석 포스텍 기계공학과 교수(왼쪽)와 김민경 석박사통합과정생(가운데), 이다솔 박사 등 공동연구팀은 광스핀홀을 증폭시키면서도 효율은 100%에 가깝게 유지하는 메타표면을 개발했다. 포스텍 제공

빛은 두 물질의 경계면을 만나면 보통 경계면을 통과하지 못하고 반사하거나 굴절돼 경계면을 통과한다. 그러나 빛이 특정 방향으로 진동하는 편광에 따라 경계면을 따라 이동하는 현상도 보인다. 이를 ‘광스핀홀 효과’라고 한다. 회전하는 전자들이 반도체를 통과하면서 구부러진 경로를 따라 움직이는 ‘스핀홀 효과’가 빛알갱이(광자)에서도 나타나는 현상이다. 광스핀홀 효과는 빔 분할기나 필터 등 초소형 광학 소자에 활용될 것으로 기대되고 있다.

광스핀홀 효과 연구는 주로 이동하는 빛의 세기를 높이는 방향으로 진행됐다. 효율은 거의 고려하지 않았다. 광스핀홀을 증폭시킬수록 효율이 떨어지기 때문이다. 노준석 포스텍 기계공학과 교수와 민범기 KAIST 기계공학과 교수팀은 방향에 따라 물체의 성질이 다른 메타표면을 이용해 효율이 거의 100%면서 광스핀홀 효과를 높이는 방안을 16일 제안했다. 메타물질은 자연에 없는 특성을 가지도록 인위적으로 설계한 물질을 뜻한다.

연구팀은 한 편광의 빛은 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계했다. 한 편광의 빛만 계속 투과하면서 광스핀홀 효과가 증폭하도록 설계한 것이다. 이를 이용하 1mm 이하 파장을 가진 마이크로파와 같은 고주파 영역에서 투과된 빛의 편광을 분석한 결과 효율이 100%에 가까운 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다.

노 교수는 “광스핀홀 효과를 증가시키는 기존 연구는 증가시키는 원리가 효율을 낮게 하는 경우가 대부분이었다”며 “처음으로 광스핀홀의 효율을 계산하는 방법을 제시하고 효율을 높이면서도 광스핀홀 효과를 키우는 방법을 제시해 스핀 기반 소자의 효율성을 높일 것으로 기대한다”고 말했다.

김민경 포스텍 기계공학과 석박사통합과정생, 이다솔 박사 등이 참여한 연구결과는 국제학술지 ‘레이저 앤드 포토닉스 리뷰’ 2월호에 실렸다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]