세상에서 가장 빠른 속도를 가진 물질은 빛이다. 정보를 전달하는데 빛보다 더 유용한 물질은 없다. 그러나 현재 빛을 정보로 처리하려면 빛을 전기신호로 전환하는 과정이 동반되어야 한다. 이 때 신호를 처리하는 전자소자의 한계와 발열 문제 때문에 정보처리 속도가 느려지고 병목 현상이 나타난다. 이에 따라 전력비용도 많이 발생한다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 김튼튼 연구교수팀이 메타물질¹⁾과 그래핀²⁾을 접합해 빛의 속도를 느리게 만들었다가 다시 빠르게 만드는 소자를 만들었다. KAIST 기계공학과 민범기 교수 연구진과 공동으로 진행한 이번 연구는 느려진 빛을 능동적으로 제어해 차세대 광통신 소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

빛의 속도를 느리게 하는 건 운전 시 브레이크를 밟는 것과 비슷하다. 빛이 전기신호로 바뀔 때 전자소자의 신호처리 속도 한계 때문에 빛의 속도가 느려져야만 원활한 정보처리가 가능하다. 김튼튼 연구교수는 “자동차(빛)가 고속도로(광섬유)에서 달리던 속도로 도심(빛→전기)으로 들어왔고, 신호등(소자, 회로 등)을 통해 분배하고 통제해야 하는데, 속도가 빠르면 제어에 어려움이 생긴다. 브레이크를 밟아 속도를 늦춰줘야 하는 상황처럼 빛도 느려져야 처리가 용이하다”고 설명했다.

연구진은 물리적 현상인 전자기 유도 투과 현상을 중심으로 이번 연구를 설계했다. 전자기 유도 투과란 강한 빛(A)을 물질에 쏴 물질의 굴절률 상태가 변할 때, 다른 빛인 제어빛(B)을 같은 방향으로 쏘아주면 그 빛이 물질에 흡수돼버리는 바람에 투과할 수 없던 빛(A)이 오히려 물질을 바로 통과해버리는 현상을 말한다. 이때, 물질의 굴절 변화율이 커지면서 빛의 속도가 느려지는 원리다(보충설명 참조). 그러나 일반적으로 전자기 유도투과 현상은 극저온 환경과 강한 세기의 제어빛, 그리고 복잡한 실험환경이 필요했다.

연구진은 전자기 유도 투과 현상을 구현하고자 메타물질을 설계해 소자를 제작했다. 인공원자로 이뤄진 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현할 수 있다. 연구진은 금으로 만들어진 뚫린 고리형 구조와 막대구조의 인공 원자를 고분자 형태의 기판에 두 층으로 나누어 메타물질을 설계했다(그림2 참고). 두 구조 사이의 위치를 조절해 물질의 굴절률을 급격히 변화시키자 빛의 속도가 느려졌다. 이렇게 만들어진 소자는 수십 마이크로미터의 매우 얇은 두께에도 불구하고 상온에서도 작동하며 강한 세기의 제어빛이 없어도 전자기 유도 투과와 유사한 현상이 나타난다.

느려진 빛을 다시 빠르게 제어할 수 있는 방법도 구현했다. 연구진은 그래핀을 메타물질과 이온젤 사이에 껴 넣고 전압을 걸자 물질의 굴절률이 변화하는 것을 확인했다. 그래핀에 걸어주는 전압의 세기가 커질수록 메타물질의 특성이 약화되며 급격히 변했던 물질의 굴절률이 완만해지고, 빛의 속도가 다시 빨라지는 것이다.

연구진이 구현한 소자는 메타물질로 빛의 속도를 느리게 만들었다가 느려진 빛을 그래핀으로 빠르게 바꿀 수 있다. 한 번 제작되면 정해진 속도만큼만 빛을 느리게 할 수 있었던 기존 메타물질과 비교하면 훨씬 능동적이고 효과적으로 빛의 속도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

이번 연구는 빛의 속도를 능동적으로 조절할 수 있음을 실험으로 보였다. 김튼튼 연구교수는 “이번 연구에서 구현한 소자에는 테라헤르츠 주파수를 갖는 빛(테라파)를 이용하도록 제작되었다. 테라파는 차세대 초고속, 대용량 통신 뿐 아니라 이미징 및 분광 기술에도 적용될 수 있어 큰 잠재시장을 갖고 있다”며 “효과적으로 빛의 속도를 제어할 수 있어 낮은 에너지로도 구동되는 소자 개발 혹은 능동형 초고속 광 아날로그 디지털 변환기 등과 같은 광통신 발전 기술에 응용될 것으로 기대된다”고 말했다.

연구성과는 미국 화학회지가 발행하는 광학분야 전문학술지 ‘ACS 포토닉스(ACS Photonics, IF: 6.76/DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01551)'에 5월 16일 출판된다. 또한 올 3월부터 5월까지 저널 중 가장 많이 읽힌 논문으로 기록되었다.

보충설명

▲ 전자기 유도 투과(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)
전자기 유도 투과 현상은 원자 결맞음 현상으로 발생한다. 강한 빛을 원자에 입사시킨 상태에서 다른 빛을 입사시키면 소멸 양자 간섭에 의해 (|0> → |1> 과 |0> → |1> → |2> → |1>) 입사된 다른 빛이 흡수되지 않고 투과되는 현상이다. 강한 빛을 쏘고 난 뒤, 다른 빛을 쏠 때는 바닥상태와 들뜬상태의 에너지 준위차에 해당하는 빛을 원자에 동시에 쏘아야만 한다. 그래야만 원자에 흡수되던 입사된 빛이 그대로 투과한다. 이때, 원자 내부의 굴절률이 급격히 변화하면서 빛의 속도가 급격히 느려지는 것이다.
빛의 속도를 늦출 수 있는 연구는 차세대 광통신과 광컴퓨터 구현을 위해 매우 중요하다. 빛은 전자보다 빠르고, 전자처럼 서로 간섭을 일으키지 않기 때문에 컴퓨터 내에서 정보를 보내고 받을 때, 빛의 경로들이 서로 교차해도 아무런 문제가 없다. 또한 빛을 이용하면 컴퓨터가 병렬처리를 할 수 있어 한꺼번에 많은 정보를 읽고 쓰는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 전자기 유도 투과 현상에 기반을 둔 양자광학 기술로 단일 광자 생성, 광자 저장 및 광통신에 이르기 까지 다양한 연구가 수행되고 있다.

그림설명

▲ [그림 1] 연구진이 개발한 빛의 속도 조절이 가능한 소자와 구조도이번 연구에서 연구진이 개발한 소자(아래)는 이온겔, 그래핀, 금속 전자기 유도 투과 메타물질, 고분자 기판으로 구성되어 있다. 그래핀에 전압을 걸어주지 않을 경우 전자기 유도 투과 현상이 발생한다. 그림 1 위의 오른쪽 하단에 보면 빨간색 그래프가 전압을 걸어주지 않을 경우에 해다한다. 설계된 메타물질에 의해 전자기 유도 투과현상이 발생해 빛이 투과되고 이로 인해 빛의 속도가 느려진다. 만약 그래핀에 전압을 걸어주면 메타물질의 공진이 약화되면서 빛의 속도가 조절될 수 있다. 마찬가지로 오른쪽 하단 파란색 그래프에 전자기 유도 투과 현상이 일어나지 않음을 볼 수 있다.

▲ [그림 2] 메타물질을 이용한 전자기 유도 투과 현상위 그림은 연구진이 만든 메타물질 내 발생하는 양자역학적 전자기 유도 투과 현상을 모사한 것이다. 연구진은 그림 (a)와 같이 서로 다른 구조의 금속 인공 원자를 설계하고 두 원자 간의 위치를 조절해 메타물질을 만들었다. 이후 연구진은 그림 (b)처럼 서로 다른 구조의 금속 인공 원자 사이의 위치를 조절해 입사광이 흡수되지 않고 투과가 되도록 하였다.
메타물질로 만든 소자는 강하게 쏘아주는 다른 제어빛이 없어도 전자기 유도 투과 현상을 구현할 수 있으며 상온에서도 작동된다는 장점이 있다.

▲ [그림 3] 그래핀에 걸어주는 전압에 따라 느려지는 빛의 속도연구진은 LC 공진을 갖는 두 개의 끊어진 고리형 구조 (Split Ring)를 윗면(Top)에 플라즈모닉 쌍극자 공진 (Plasmonic dipole resonance)을 갖는 막대구조를 아랫면(Bottom)에 두고 둘의 위치를 변화시켜 두 인공구조 사이의 결합(Coupling)을 조절하였다.
(a) 두 개의 끊어진 고리형 구조가 막대구조의 아래쪽에 위치할 때, 두 개의 끊어진 고리형 구조에서 강한 공진이 일어나게 되며, 이 때 빛의 속도가 느려지게 된다. 연구진은 테라헤르츠파 영역에서 빛의 속도를 3.1 피코초 느려지게 하였으며, 이는 자유공간에서 약 0.93 mm 길이만큼 빛이 지연됨을 의미한다.
(b) 끊어진 고리형 공진구조 위에 그래핀을 덮고 전압을 걸어줄 경우, 끊어진 고리형 구조의 공진이 약해지게 되고, 아랫면에 있던 막대구조의 공진이 강해지게 되어 느려졌던 빛의 속도가 빨라지게 된다.