나노기술 및 정책 정보

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오스트리아 빈 대학교(University of Vienna) 연구팀이 이끄는 국제 연구팀은 단일층의 그래핀 주위에 구축 된 구조가 빛을 변환할 수 있는 강력한 광학 비선형성을 허용한다는 것을 보여주었dma. 연구팀은 나노미터 크기의 금 리본을 사용하여 플라즈몬 형태의 빛을 원자적으로 얇은 그래핀으로 압축함으로써 이를 달성했음.

지난 몇 년 동안 나노미터 크기의 장치를 통해 빛을 조작하고 전송하는 플라즈모닉 장치를 개발하기 위한 공동 노력이 이루어졌었음. 빛이 물질의 전자와 상호 작용할 때 발생할 수 있는 플라즈몬을 사용하여 비선형 상호 작용을 크게 향상시킬 수 있음이 밝혀졌음. 플라즈몬에서 빛은 전도성 물질의 표면에 있는 전자에 결합되어 플라즈몬이 원래 생성한 빛보다 훨씬 짧은 파장을 만듦. 이로 인해 매우 강력한 비선형 상호 작용이 발생할 수 있음. 그러나 플라즈몬은 일반적으로 금속 표면에 생성되어 매우 빠르게 감쇠하여 플라즈몬 전파 길이와 비선형 상호 작용을 제한함. 이 새로운 연구에서 연구원들은 그래핀에서 플라즈몬의 긴 수명과 이 물질의 강력한 비선형성이 이러한 문제를 극복할 수 있음을 보여주었음.

실험에서 비엔나 대학(오스트리아)의 Philip Walther가 이끄는 연구팀은 바르셀로나 광 과학 연구소(스페인), 남 덴마크 대학, 몽펠리에 대학 및 매사추세츠 연구소의 연구자들과 협력했음. 연구팀은 비선형 플라즈모닉 장치를 구축하기 위해 이종 구조(heterostructures)라고 하는 2 차원 재료 스택을 사용했음. 그들은 그래핀의 단일 원자 층을 가져다가 금속 나노 리본 배열을 그 위에 증착했음. 금속 리본은 그래핀 층에서 들어오는 빛을 확대하여 그래핀 플라즈몬으로 변환함. 이 플라즈몬은 금 나노 리본 아래에 갇혀 고조파 생성이라고 알려진 과정을 통해 다양한 색상의 빛을 생성했음. 연구팀은 생성된 빛을 연구하고 그래핀 플라즈몬 간의 비선형 상호 작용이 고조파 생성을 설명하는 데 중요하다는 것을 보여주었음. 상대적으로 단순한 금 나노 리본이 그래핀의 비선형성을 향상시키고 그래핀 플라즈몬을 여기하며 플라즈몬 공동을 생성할 수 있음을 보여 주었음.

그래핀 플라즈모닉 분야는 아직 초기 단계에 있지만, 연구원들은 이러한 결과가 그래핀 이종 구조의 새로운 물성을 조사하는 데 사용될 수 있으며 다양한 응용으로 이어질 수 있다고 확신함. 이전에 그래핀 플라즈몬에 의해 매개된 비선형 상호 작용이 양자 컴퓨팅에 사용될 수 있다고 제안했으며, 이제 이러한 플라즈몬이 실제로 비선형적으로 상호 작용할 수 있다는 실험적 확인을 제공했음. 연구팀은 새로운 금속 형상을 실험하고 다양한 유형의 비선형 상호 작용을 활용하여 훨씬 더 효율적인 그래핀 이종 구조를 계속 개발할 계획임.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ (“Giant enhancement of third-harmonic generation in graphene–metal heterostructures”) 지에 게재됨