POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)-KAIST(한국과학기술연구원, 총장 신성철) 공동 연구팀이 인공적으로 디자인된 메타표면을 활용해 100% 효율에 가까운 ‘광스핀홀 효과’를 얻는 방법을 내놓았다. 

POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김민경씨, 이다솔 박사 연구팀은 KAIST 기계공학과 민범기 교수, 조혁준씨 연구팀과 함께 비등방성을 갖는 메타표면을 이용해 효율이 거의 100%이면서 광스핀홀 효과를 높일 수 있는 방안을 제안했다. 이를 위하여 한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계하여 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다. 이번 연구의 성과는 광학 분야 권위지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’ 2월호에 게재됐다. 
 
광스핀홀 효과는 광학 경계면에서 빛이 반사 또는 굴절할 때, 빛의 편광 방향에 따라 입사평면에 수직인 방향으로 빛이 이동하는 현상을 가리킨다. 이런 광스핀홀 효과가 증가하면 파장의 수 배 또는 수십 배 이상의 빛을 이동시킬 수 있다. 

지금까지 광스핀홀 효과에 관한 연구는 주로 빛의 이동을 크게 하는 방향으로 진행됐고, 효율은 거의 고려하지 않았다. 광스핀홀을 증폭시키면, 효율이 매우 낮아지기 때문에 효율이 높으면서도 광스핀홀 효과가 큰 연구는 보고된 바가 없었다.

연구팀은 광스핀홀 효과를 증폭시키기 위해 비등방성을 갖는 메타표면을 이용했다. 이 메타표면은 한 편광의 빛은 대부분 투과시키면서 다른 편광의 빛은 반사하여 광스핀홀 효과를 증폭시키도록 설계됐다. 마이크로파와 같은 고주파 영역에서 메타표면의 투과율을 측정하고 이를 통해 투과된 빛의 편광 상태를 검증하여 효율이 100%에 달하는 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다. 

연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 “광스핀홀 효과를 증가시키는 기존 연구들은 증가시키는 그 메커니즘이 효율을 낮게 하는 경우가 대부분이었다”며,  “이 연구에서 처음으로 광스핀홀의 효율을 계산하는 방법을 제시하고, 효율을 높이면서도 광스핀홀 효과를 키우는 방법을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 또한, “광스핀홀 효과는 빔 분할기, 필터, 스위치 등 초소형 광학 소자로 활용될 수 있는데, 이 연구는 이러한 스핀 기반 소자의 효율성을 높일 수 있다”고 덧붙였다. 

한편, 이 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신선도연구센터, 교육부 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다. 

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