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러시아의 ITMO University 연구팀이 실리콘보다 굴절율이 높은 물질을 발견하였음. 이를 통해 잠재적으로 레이저, 센서 및 광학칩을 보다 작고 효율적으로 만들 수 있음. 또한 ITMO 물리학자들이 재료의 굴절률과 전자적 특성 사이의 연관성에 대해 가설을 가지고 있음을 입증하였음.

“빛의 굴절”이라는 단어에서 무엇이 떠오릅니까? 우리 중 많은 사람들은 빛이 한 각도로 해수면에 들어와 완전히 다른 각도로 통과하는 물리학 교과서에서의 그림을 생각함. 굴절을 보여주는 또 다른 방법은 물이 채워진 투명한 유리 안에 숟가락을 넣는 것임. 두 미디어의 경계면에서 숟가락이 "부러져 있는" 것을 확인할 수 있음.

물, 공기, 유리 또는 미네랄과 같은 모든 물질에는 굴절 계수가 있음. 그것은 진공에서의 속도에 비해 파동이 얼마나 느리게 이동하는지 알려줌. 따라서 계수가 2이면 이러한 재질의 파동 속도가 두 배 더 느리다는 것을 의미함. 문제는 계수를 결정하는 물질뿐만 아니라 파장도 결정한다는 것임. 고주파 X- 선은 진공과 같이 비슷한 속도로 모든 물질을 통과함. 특정 재료에서 마이크로파 및 무선 주파수는 진공에 비해 속도가 100 배 또는 심지어 500 배까지 감소함. 이 효과 덕분에 유전체 마이크로파와 무선 안테나를 제조할 수 있음. 파동이 물질에서 느린 속도를 갖는다면 이 물질을 사용하여 파동을 "잡을" 수 있는 공진기를 생성할 수 있음. 이것은 마이크로파 장치에서 널리 사용됨.

레이저, 센서, 라이다 및 기타 광학 장치가 점점 더 대중화되고 있음. 미래에 연구자들과 엔지니어들은 오늘날 사용되는 전자가 아닌 광자의 움직임에 의해 전송되는 정보를 처리할 광학칩과 컴퓨터를 만들 것으로 기대함. 이를 위해서는 광원, 도파관 및 광학 안테나가 가능한한 컴팩트해야 함. 그리고 여기서 그들은 어려움에 직면하게 됨. 가시 스펙트럼의 주파수에 대해 굴절 계수가 높은 재료는 그리 많지 않음. 실리콘은 이 스펙트럼에서 가장 높은 계수 중 하나로 4임. 참고로 물은 약 3/2임. 계수가 10 인 알려진 재료는 물론 100 인 재료도 음. 그 이유는 아직 명확하지 않은 반면, X 선과 같은 높은 주파수에서 계수가 1이 되는 반면 낮은 주파수에서는 매우 높은 값에 도달 할 수 있음. 그러나 광 대역의 한계는 무엇입니까? 가시광선 계수가 10 또는 200과 같은 재료를 만드는 것이 가능합니까? 연구팀은 이러한 질문에 대한 답을 찾고자 하였음. 가장 흥미롭게도 연구자들은 그러한 자료를 어디에서 찾아야할지조차 몰랐음. 물리적 실험이나 복잡한 계산 모델링 전에 물질의 굴절 계수를 예측하는 데 도움이 되는 명확하거나 인정된 기준은 없음. 그러나 필요한 광학 특성을 찾기 위해 알려진 모든 재료의 계수를 테스트하거나 모델링하기에는 너무 시간이 많이 들고 비싸며 비생산적임. 연구팀은 재료의 전자적 특성에 대한 데이터에서 쉽게 획득할 수 있는 기준을 도입할 수 있을 뿐만 아니라 재료의 굴절 계수를 예측할 수 있는지 확인하려고 했음. 왜 전자 속성인가? 이 데이터들은 이미 많은 자료에 대해 공개적으로 액세스되는 거대한 데이터베이스로 오랫동안 연구되었음.

연구원들은 처음부터 반도체에 집중하기로 결정했음. 금속은 잠재적으로 매우 높은 굴절 계수를 가질 수 있지만 강력한 광원을 받으면 가열됨. 광 안테나와 같은 장치의 생산에 중요한 에너지 손실 및 과열 위험이 발생하게 됨. 광범위한 수학적 계산 후 연구팀은 빛이 반도체를 얼마나 빨리 통과하는지를 가리키는 매개 변수를 식별 할 수 있었음. 이 매개 변수는 밴드 갭과 전자의 유효 질량임. 반도체에는 밴드 갭이 있음. 밴드 갭은 전자가 특정 물질에서 가질 수 없는 에너지 범위임. 광자의 에너지가 밴드 갭보다 작으면 빛이 물질에 퍼질 수 있고 에너지가 더 많으면 빛이 흡수됨. 광학 분야에서 밴드 갭은 재료가 투명하게 유지되는 최대 파장을 결정함. 이 매개 변수는 많은 재료에 대해 알려져 있으며 적극적으로 사용됨. 두 번째 매개 변수는 전자의 유효 질량임. 물질의 다른 입자와 상호 작용할 때 전자는 원래 가진 것과 다른 질량을 가진 입자처럼 행동함. 그리고 이 새로운 질량은 유효 질량으로 알려져 있음.

이론적 모델은 이 두 매개 변수 사이의 비율이 클수록 굴절 계수가 높아야 함을 보여주었음. 먼저 연구팀은 실리콘과 같은 알려진 재료에 대한 가설을 테스트했음. 그런 다음 그들은 굴절 특성에 대해 연구되지 않은 재료로 전환했음. 레늄 디셀레니드(ReSe2)임. 우리의 매개 변수는 이 재료에서 매우 높은 것으로 판명되었으므로 전체 계산을 수행하기로 결정했음. 그 결과, 이 소재는 가시광선 및 적외선 영역에서 굴절률이 6.5-7로 실리콘보다 훨씬 더 높다는 것을 증명했음.

굴절 계수가 높을수록 도파관, 광학 공진기 및 광학 장치에 필요한 기타 요소가 작아야함. 또는 동일한 크기를 유지하면서 빛과 더 효율적으로 상호 작용할 수 있음. 그러나 연구팀은 이 발견은 이 물질을 찾은 것 때문에 중요한 것이 아님. 더 중요한 것은 이 가설로 높은 굴절 계수를 가진 재료를 찾는 데 유용할 것으로 예측되며, 이전에 획득한 데이터를 기반으로 매개 변수를 개발할 수 있다는 첫 번째 가설을 간접적으로 증명한 것임. 다음으로, 이전에 광학 전문가들이 무시했던 다른 물질을 찾기 위해 재료의 전자 속성에 대한 개방형 데이터베이스를 통해 글로벌 검색을 시작할 계획임.

본 연구 성과는 ‘Nanophotonics’ ("High refractive index and extreme biaxial optical anisotropy of rhenium diselenide for applications in all-dielectric nanophotonics") 지에 게재됨