빛 수송 혁신: 새 이론 모델이 첨단 광학 길 열다

그림에 나온 새로운 구조는 한 가지 목적으로 설계되었습니다: 빛이 수송되는 동안 모양을 바꾸는 것. 최근 논문에서 머세데스 카자비칸(Mercedeh Khajavikhan) 교수팀은 새로운 이론 모델을 사용해 이를 어떻게 달성할 수 있는지 보였으며, 이는 우리 삶의 많은 측면에 심오한 함의를 가질 수 있습니다.

빛은 레이저로 생성돼 이미징과 센싱에 쓰이고, 광섬유 케이블을 통해 첨단 통신에 활용되며, 칩에 내장돼 이전 세대가 꿈꾸지 못했던 수준으로 컴퓨팅 역량을 높입니다. 이러한 각 발전이 기계, 우주, 생물의학, 컴퓨터 엔지니어가 만든 새로운 장치로 끝났을지라도, 그 시작은 포토닉스(photonics)였습니다.

입자는 파동으로 이동하는 경향이 있고, 포토닉스는 그 파동을 활용하는 과학입니다. 양자 통신에서 얽힌 광자 실험부터 스마트폰 화면, 라이다(LiDAR), 광섬유 인터넷 같은 일상 기술까지, 포토닉스는 대부분 사람이 깨닫는 것보다 우리 삶을 더 많이 바꿨습니다. 1세기 넘게 이어진 분야지만 연구자들은 여전히 새 개척지로 나아가고 있습니다.

이 개척지 중 하나가 위상 포토닉스(topological photonics)입니다. 전통적 포토닉스와 위상 물리학을 결합한 분야로, 노벨상 수상자이자 전 USC 교수인 던컨 홀데인(Duncan Haldane)이 개척한 분야이기도 합니다. 위상 물리학(공간에서 모양과 배열의 수학적 연구)은 전자공학에서 많은 흥미로운 특성을 설명하는 데 쓰여왔고 여러 신소재와 장치 개발로 이어졌습니다. 이제 위상 물리학과 포토닉스를 결합해 연구자들은 이전에 본 적 없는 더 창의적인 빛 구조를 설계할 수 있게 되었습니다.

이 새 구조가 왜 특별하고 어떻게 만들었을까요? 팀은 먼저 위상 물리학으로 탐구할 설계를 구상합니다. 그런 다음 시뮬레이션을 돌려 구조 내 요소들이 어떻게 상호작용해야 하는지 이해합니다. 다음으로 개별 셀(전체 구조를 이루는 작은 빌딩 블록)을 설계합니다. 셀 설계가 완료되면 그것들을 어떻게 배열해 구조를 형성할지 결정합니다. 마지막으로 설계를 나노 팹 클린룸으로 가져가 물리적 제품(크기 0.25제곱밀리미터 미만)을 만듭니다. 남은 것은 빛이 흐를 때 새로운 모양으로 형성하는 완전히 독특한 구조입니다. 이 새 모양은 더 나은 레이저 순도와 더 높은 효율 같은 새로운 특성을 가집니다.

그만큼 인상적이지만, 카자비칸 교수팀은 더 나아갔습니다. 바로 물리학과 포토닉스 결합이 진정 빛을 발하는 지점입니다. 위상 물질은 놀라운 새 수송 특성을 보일 수 있지만, '켜짐'과 '꺼짐' 상태를 쉽게 전환할 수는 없습니다. 이 빛 구조들을 최첨단 경주차에 비유해 보세요. 더 빨리 달리고, 더 급하게 돌고, 경쟁자보다 더 많은 걸 할 수 있습니다. 하지만 한번 엔진을 걸면 끌 수 없다면 그다지 실용적인 기계는 아닙니다.

USC 팀이 바로 그 일을 해냈습니다. 이 새 빛을 제어한 것입니다. '광 펌핑(optical pumping)'이라 불리는 포토닉 시스템 기법을 도입해 구조의 위상적 특성에 켜고 끌 수 있는 능력을 부여했습니다. 빛의 모양뿐만 아니라 언제 어떻게 시스템을 통과해 흐르는지 제어하는 능력은 매우 중요합니다.

연구자들에게 이 새 구조 연구는 이제 막 시작입니다. "우리의 발견은 위상 시스템 연구의 완전히 새 길을 열었으며, 홀로그래픽 스크린과 고출력 레이저 등 수많은 산업의 판도를 바꿀 더 많은 설계를 엔지니어링할 계획입니다."라고 카자비칸 교수가 말했습니다.