포항공대, 스핀-궤도 결합 없는 3차원 위상절연체 구현

피복 없이 외부면서 위상학적 표면파 이동

위상절연체 모식도(포항공대 노준석 교수) © 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 국내 연구진이 주기적인 3차원 구조체를 설계해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체를 구현했다.

이는 기존에 3차원 위상절연체 구현을 위해 스핀-궤도 결합이 필수적이었던 것과는 차별화된 성과이다.

21일 한국연구재단에 따르면 포항공대 노준석 교수 연구팀이 피복 없이 외부면에서 위상학적 표면파가 흐르는 3차원 광학 시스템을 개발했다.

3차원 광학 위상절연체란 내부로는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐르게 하는 물질이다.

이렇게 발생된 표면파는 표면 상태에 관계없이 절연체 특성에 따라 항상 존재해 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다.

하지만 지금까지 개발된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어 서로 다른 두 절연체 사이의 경계면에서만 표면파가 나타난다는 문제가 있다.

이에 연구팀은 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 서로 다른 두 가지의 방향성을 보이는 점에 착안, 이러한 전자기장 분포가 스핀의 역할을 대체할 수 있음을 발견했다.

이를 통해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현해 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 검증했다.

이번에 개발한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 외부 겉면에서 표면파를 가짐에 따라, 표면파 발생을 위해 인공적으로 피복 등을 감싸지 않아도 될 뿐만 아니라 표면파의 측정 또한 쉬워 응용성이 높은 장점이 있다.

특히 무피복 광통신 구현 가능성을 통해 통신 시스템 단순화 및 소형화에 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 지난 17일 게재됐다.

km5030@news1.kr