나노기술 및 정책 정보

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● 일본 츠쿠바대학교의 쿠보 아츠시 교수 연구팀이 자체 개발한 ‘펨토초 레이저 이광자 형광현미경법’을 이용하여 메타 원자의 하나인 ‘나노 광 공진기(구조 길이 약 100nm)’에 표면 플라즈몬 파속이 입사하여 상호작용을 거쳐 지나가는 모습을 100조 분의 1초의 시간 분해능으로 시각화하는 데 성공

● 메타재료라 불리는 인공물질에 대한 연구가 급속히 진행되고 있으며, 이들은 빛의 파장보다 작은 광 공진기나 광 안테나를 늘어놓은 배열 구조에 의해 자연적으로 존재하는 물질에는 없는 새로운 광학적 기능을 가지고 있어 평면형 렌즈, 반사 방지막, 발광·수광 소자 등의 광 디바이스 개발에 응용되고 있음.

● 연구진은 메타 원자로서 구조 길이 약 100nm의 ‘금속-절연체-금속형 나노 공진기(MIM-NC)’를 금속 표면 상에 제작하고, 시료 표면으로부터 약간 떨어진 위치에서 광 펄스를 전자-광결합파(표면 플라즈몬파, SPP)의 파속으로 변환하여 MIM-NC에 입사시키는 방법으로 단일 메타 원자와 광 펄스가 상호작용하는 시스템을 동일 평면상에 실현

● 본 시료를 자체 개발한 ‘펨토초 시간 분해 이광자 형광현미경법(TR-2PFM)’으로 관찰한 결과, SPP 파속이 금속 표면 위를 전반하여 MIM-NC에 도달한 후 공명적 상호 작용을 거쳐 빠져나가는 모습을 10펨토초의 시간 분해능·0.5μm의 공간 분해능으로 가시화하는 데 성공

● 나노 공진기를 통과한 표면 플라즈몬 파속에는 ±수 μm의 강도를 갖는 피크 위치의 이동이 관찰되었으며, 통과에 수반되는 공명적인 상호작용이 파속의 공간 형상을 변형하는 효과를 확인

● 피크의 이동은 공진기의 구조 길이 또는 파속을 활성화시키는 광 펄스를 조정하여 제어가 가능

● 본 연구 성과는 메타재료의 진보 및 신규 광 디바이스 개발에 기여할 것으로 기대

※ Nanophotonics 게재(2022.02.25), “Femtosecond imaging of spatial deformation of surface plasmon polariton wave packet during resonant interaction with nanocavity”