나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 시안(西安) 광학정밀기계연구소 산하 "순간상태 광학 및 광자기술 국가중점실험실" 야오바오리(姚保利) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 나노제어 가능한 키랄 라이트 필드(chiral light field) 생성 관련 연구로 중요한 성과를 얻음. 라이트필드에 대한 조정제어 관련 기초연구 분야의 이슈가 됨.

키랄(chiral)은 물체가 2차원 평면 내에서 그 어떤 평행 이동과 회전을 통과하지 못하여 거울이 겹쳐져 있는 비(非)대칭성을 형성하는 것을 의미하며, 키랄은 자연계와 생명체 속에 폭넓게 존재하고 있음. 키랄 분자는 일반적으로 좌측 키랄(좌측 회전)과 우측 키랄(우측 회전) 형식이 쌍을 지어 나타나는데 이런 상황을 키랄 이성체 또는 대영체(對映體)라고 함.

이런 두 가지 구성형태는 대영체에 대한 회전방향 외의 모든 특성을 가지지만 완전히 다른 생물활성, 대사과정 및 독성학 특징 등을 보이고 있기 때문에 키랄 물체의 식별과 분리에 대한 연구는 줄곧 생물화학 연구와 공업응용 분야에서의 이슈가 되고 있었음. 표면특징 물체에 사용되는 대부분의 물리특성은 대부분 회전방향성과 관련이 없으며, 키랄 물체가 기타 키랄 물체와 상호역할을 발휘할 대 회전방향 관련 반응을 발생시키게 됨.

키랄은 3차원 물체의 기하특성을 나타낼 뿐만 아니라 라이트 필드의 고유특성을 나타내며, 라이트 필드도 키랄 특성을 보유하고 있음. 예를 들면 원편광은 좌우 회전 형식에서의 전형적인 키랄 라이트 필드에 속하며, 일상적인 키랄 식별방법은 원(圓) 2색성(色性) 광스펙트럼 방법인데 대영체가 키랄을 이용한 라이트 필드에 대한 탐사 측정과는 달리 키랄의 다른 응답을 통해 분자 키랄에 대한 탐사 측정을 하게 됨.

연구팀은 지름방향과 각도방향 편광으로 구성된 커팅 벡터빔에 대한 이론연구를 하고 2개의 높은 수치의 공경 물경(物鏡)으로 구성된 4pi 현미경 포커싱(focusing) 시스템을 이용하여 두 가지 키랄 라이트 필드 생성을 동시에 실현하였으며, 벡터 회절 포인트를 통해 동 벡터빔의 4pi 포커싱 계산을 하고 포커싱 필드 분포를 통해 광학 키랄 특징을 분석하였음. 편광 특성 때문에 포커싱 벡터빔은 키랄 라이트 필드를 생성시킬 수 있을 뿐만 아니라 포커싱 필드의 축방향 분리의 라만 분석은 광 반점 체적이 13/52(광 반점 지름의 1/6 수준에 달함)에 달하는 초고해상도의 키랄 광필드를 생성시킬 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 벡터 회절이론을 이용하여 해석방법을 도출하였는데 동 방법으로 시간 소모가 클 뿐만 아니라 물리적 의미가 부족한 방법을 대체하였으며, 연구팀은 멀티위상 마스크 템플릿을 디자인하여 입사(入射)된 벡터빔을 이용하여 위상위치에 대한 조정제어를 하고 두 가지 키랄 분포를 동시에 가진 1D, 2D, 심지어 3D의 멀티 광 반점의 키랄 라이트 필드를 생성시키고, 광 반점의 위치, 수량 및 회전 방향은 모두 멀티위상 마스크 템플릿을 통해 임의로 조정 제어를 실행할 수 있다는 점을 입증하였음.

이번 연구 결과는 키랄 라이트 필드 응용을 추진하게 될 것으로 전망되며, 연구팀은 이번 연구를 통해 나노스케일에서 대영체(對映體)에 대한 선택성 분리, 키랄 센싱(chiral sensing) 및 키랄 마이크로 입자에 대한 조종을 위한 가능성을 제공하였음.

연구 성과는 ‘Nanoscale’ ("Generation of controllable chiral optical fields by vector beams") 지에 게재됨.