나노기술 및 정책 정보

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도쿄공업대학(東京工業大學) 물리연구소 물리학계와 일본전신전화(NTT)의 연구그룹이 유전체 주기 구조를 변형시키는 간단한 방법을 통해, 빛의 토폴로지컬 특이성을 자유자재로 생성·제어할 수 있는 기술을 세계에서 최초로 규명함. 연구진은 유전체 주기 구조(=광결정)을 변형하여 대칭성을 변화시키는 아주 간단한 방법으로 ‘비자명(非自明) BIC(Bound state in the continuum, 연속체에서의 속박상태)’가 되는 광 토폴로지컬 특이점을 생성하는 방법을 세계 최초로 발견함. 유전체 박막에 둥근 구멍이 삼각 격자 모양으로 주기적으로 나 있는 광결정을 이용했는데, 이 구조는 토폴로지컬 수가 –2인 ‘자명(自明) BIC(수직방향 BIC)’를 갖는 것으로 알려져 있음. 이 구조를 가로 또는 세로 방향으로 연장함에 따라 ‘자명 BIC’가 둘로 분열하여 토폴로지컬 수가 –1인 ‘비자명 경사 BIC’가 대칭되어 생성된다는 것을 이론적으로 제안함. 또한, 광결정 구멍 모양을 원에서 삼각형으로 변형시킴으로써 토폴로지컬 수가 반정수(半整數)가 되어 원편광 모드가 되는 별종의 토폴로지컬 특이점이 생성되는 것도 발견함. 이러한 토폴로지털 특이점을 레이저 등의 광학 디바이스에 적용하는 경우, 광 출력 방향은 전이 정도에 따라 바뀔 수 있음. 즉, 구조의 대칭성의 간단한 조작에 의해 각종 토폴로지컬 특이점을 자유롭게 생성, 소멸시키고 그 방향이나 편광 특성을 제어할 수 있음을 시사함. 본 결과는 레이저의 편광 상태와 출사 방향 제어에 이용이 가능하며 빛의 트폴로지컬 특성을 이용한 새로운 빛 제어 가능성을 보여줄 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ (“Generation and Annihilation of Topologically Protected Bound States in the Continuum and Circularly Polarized States by Symmetry Breaking”) 지에 게재됨.