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전자기 스펙트럼에서 테라헤르츠 빛은 적외선과 마이크로파 사이에 있으며, 미래 기술에 대한 엄청난 잠재력을 가지고 있음. 무엇보다도 매우 빠른 모바일 통신 연결과 무선 네트워크를 가능하게 하여 5G를 성공시킬 수 있음. 기가헤르츠에서 테라헤르츠 주파수로 전환하는 데 있어 병목 현상은 불충분한 소스와 변환기로 인해 발생했음.

독일의 헬름홀츠 연구회(Helmholtz Association of German Research Centres)와 스페인의 공동연구팀이 이제 이전보다 훨씬 더 효과적으로 테라헤르츠 펄스를 생성하는 재료 시스템을 개발했음. 이것은 그래핀, 즉 금속 층상 구조로 코팅된 초박형 탄소 시트를 기반으로 함. 연구팀은 그래핀이 주파수 배율기 역할을 할 수 있음을 보여줄 수 있었음 .2 차원 탄소에 낮은 테라헤르츠 주파수 범위의 광 펄스를 조사하면 더 높은 주파수로 변환됨. 지금까지는 이러한 테라헤르츠 펄스를 효율적으로 생성하기 위해 입자 가속기에서만 생성될 수 있는 매우 강력한 입력 신호가 필요하다는 것이었음. 이는 미래 기술 응용 분야에서는 분명히 비실용적임. 그래서 연구팀은 훨씬 덜 폭력적인 입력, 즉 낮은 전계 강도에서도 작동하는 재료 시스템을 탐색했음.

그래핀을 작은 금 라멜라로 코팅하면 주파수 변환이 크게 향상될 수 있음. 이 라멜라는 매력적인 속성을 가지고 있는 것으로 그래핀에서 들어오는 테라헤르츠 복사를 크게 증폭하는 안테나처럼 작동함. 결과적으로 연구팀은 그래핀이 라멜라 사이에 노출되는 매우 강한 전계장을 얻을 수 있었고 이를 통해 테라헤르츠 펄스를 매우 효율적으로 생성할 수 있음. 아이디어를 테스트하기 위해 단일 그래핀 층을 유리 캐리어에 적용했음. 그 위에는 산화 알루미늄의 초박막 절연층을 증착한 다음 금 스트립 격자를 증착했음. 그런 다음 낮은 테라헤르츠 범위(0.3 ~ 0.7THz)의 광 펄스를 조사하였음. 이 과정에서 전문가들은 특수 검출기를 사용하여 금 라멜라로 코팅 된 그래핀이 얼마나 효과적으로 입사 방사선의 주파수를 증가시킬 수 있는지 분석했음. 결과는 매우 잘 작동했음을 보여주었음. 처리되지 않은 그래핀에 비해 훨씬 약한 입력 신호로도 주파수 증가 신호를 생성할 수 있었음. 숫자로 표현하면 원래 필요한 전계 강도의 10 분의 1 만으로도 주파수 증가를 관찰하기에 충분했음. 그리고 기술적으로 관련된 낮은 전계 강도에서 변환된 테라헤르츠 펄스의 전력은 새로운 재료 시스템 덕분에 천 배 이상 더 강함. 개별 라멜라가 넓어 노출되는 그래핀 영역이 작을수록 현상이 더욱 두드러졌음. 처음에 전문가들은 들어오는 주파수를 3 배로 늘릴 수 있었음. 나중에 그들은 입력 주파수에서 5 배, 7 배, 심지어 9 배까지 더 큰 효과를 얻었음.

지금까지 과학자들은 테라헤르츠 펄스를 생성하기 위해 가속기 또는 대형 레이저와 같은 크고 복잡한 장치가 필요했기 때문에 이것은 매우 흥미로운 전망을 제공함. 새로운 재료 덕분에 순전히 전기 입력 신호로 즉 훨씬 적은 노력으로 기가헤르츠에서 테라헤르츠로 도약할 수 있음. 그래핀 기반 메타 물질은 현재 반도체 기술과 상당히 호환될 것임. 원칙적으로 일반 칩에 통합될 수 있음. 따라서 연구팀은 새로운 프로세스의 타당성을 입증했으며 이제 특정 어셈블리에서 구현이 가능해질 수 있게 되었음. 잠재적인 응용분야는 방대함. 테라헤르츠 파는 오늘날 사용되는 기가헤르츠 이동 통신 주파수보다 더 높은 주파수를 가지므로 훨씬 더 많은 무선 데이터를 전송하할 수 있음. 5G는 곧 6G가 될 것임. 또한, 테라헤르츠 펄스는 예를 들어 산업의 품질 관리 및 공항의 보안 스캐너에서 재료 연구의 광범위한 과학적 응용에 이르기까지 잠재력이 있음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ (“Grating-Graphene Metamaterial as a Platform for Terahertz Nonlinear Photonics”) 지에 게재됨