유럽과 이스라엘 물리학자들로 구성된 팀이 양자 나노포토닉스 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 그들은 새로운 유형의 폴라리톤 공동을 도입하고 광자 가두기의 한계를 재정의했습니다. 6일 네이처 머티리얼(Nature Materials) 저널에 게재된 논문은 이 획기적인 작업을 자세히 설명하며, 나노포토닉스의 전통적인 한계를 극복하는 파격적인 광자 가두기 방법을 보여줍니다.

다양한 크기의 다중 질량 공동 4개를 보여주는 3D 그림입니다.
이미지 출처: 미국과학진흥협회 Eurekalert 웹사이트

물리학자들은 오랫동안 광자를 점점 더 작은 조각으로 압축하는 방법을 모색해 왔습니다. 광자의 공간 규모는 파장입니다. 광자가 파장보다 훨씬 작은 공동으로 강제로 들어가면 실제로는 더 "집중"됩니다. 이는 광자와 전자의 상호 작용을 향상시켜 공동 내 양자 프로세스를 증폭시킵니다. 그러나 과학자들이 광자량을 깊은 파장 이하 범위로 제한하는 데 큰 성공을 거두었음에도 불구하고 소산 효과는 여전히 주요 장애물로 남아 있습니다. 나노공동의 광자는 매우 빠르게 흡수되며, 이러한 소실은 일부 양자 응용 분야에 대한 나노공동의 적합성을 제한합니다.

공동 모드의 시뮬레이션된 광선장 분포와 겹쳐진 나노공동 및 근거리장 팁(도식적 단면).
이미지 출처: 미국과학진흥협회 Eurekalert 웹사이트

이번에 연구팀은 위와 같은 한계를 극복해 기존에 돌파한 파장 이하의 부피와 수명을 갖는 나노공동을 만들었다. 이러한 나노공동은 면적이 100 x 100 평방 나노미터 미만이고 두께가 3 나노미터에 불과하여 훨씬 더 오랜 시간 동안 빛을 가두어 둡니다. 핵심은 공동을 형성하는 2차원 물질에서 발생하는 고유한 전자기 여기인 쌍곡선 포논 폴라리톤을 사용하는 데 있습니다.

본 연구에서는 기존 연구와 달리 새로운 간접제한 메커니즘을 활용하였다. 연구진은 금 기판에 나노공동을 뚫었습니다. 드릴링 후, 그들은 2차원 물질인 육각형 질화붕소를 금 기판 위에 옮겼습니다. 육각형 질화붕소는 쌍곡선 포논 폴라리톤의 전자기 여기 과정을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다. 폴라론은 금 기판의 가장자리를 통과할 때 강하게 반사되어 갇히게 됩니다. 따라서 이 접근 방식은 원래 품질을 유지하면서 육각형 질화붕소의 직접적인 성형을 방지하여 공동 내에서 매우 제한적이고 수명이 긴 광자를 가능하게 합니다.

이 성과는 이전에 광자 한계라고 생각했던 한계를 깨고 양자 포토닉스의 새로운 응용과 발전의 문을 열었습니다. 다음으로, 연구자들은 이러한 공동을 사용하여 이전에는 불가능하다고 생각되었던 양자 효과를 관찰하고 쌍곡선 포논 폴라리톤 거동의 흥미롭고 반직관적인 물리학을 추가로 조사할 계획입니다.

빛은 다루기 힘든 존재이지만, 과학자들은 빛을 위한 새장을 만들려고 노력하고 있습니다. 광자 장치의 크기는 피할 수 없는 회절 한계로 인해 제한되지만 재료 과학의 획기적인 발전으로 회절 한계를 넘어 빛을 가두는 새로운 나노공동이 가능해졌으며 이는 단일 광자를 조작하는 데 적합할 뿐만 아니라 미래 광전자 공학 작업의 초석이 되었습니다. 광학 경로가 전자 경로를 대체하여 전력 소비를 줄이도록 도와줍니다. 금박막은 우수한 거울 광학 특성으로 인해 나노공동의 기판 재료로 선택되었으며, 육방정계 질화붕소는 그래핀 다음으로 널리 사용되는 2차원 재료입니다. 그들은 힘을 합쳐 반도체 응용 분야의 새로운 차원을 개척하고 우리에게 더 많은 놀라움을 선사할 것입니다.