레이저 빛 흡수되는 에너지 준위 조절 성공

최현용 연세대 교수팀 최초 개발 무인자동차·로봇공학 응용 가능

▲ 최현용 연세대 교수

한국연구재단(이사장 조무제)은 최현용 연세대 교수<사진> 연구팀이 레이저 빛이 흡수되는 특정영역의 에너지 준위를 제어하는데 최초로 성공했다고 4일 밝혔다.

에너지 준위는 원자나 분자 시스템이 지닌 에너지 고유의 값이다. 레이저를 통해 만든 빛은 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 '편광 현상'이 나타난다. 이 편광 현상을 이용해 물질의 에너지 준위 조절이 가능하다면, 새로운 고속 동작 광소자의 제작을 만들 수 있다. 그러나 지금까지 이 기술은 개발되지 않았다.

최 박사 연구팀은 차세대 광응용 소재로 각광받는 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 물질군 이황화레늄(ReS₂)에 주목했다. 이황화레늄은 물질이 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 다른 두 개의 엑시톤(exciton)을 갖는다.

엑시톤은 반도체 물질이 빛을 흡수해 만들어지는 입자다. 그 결과, 그동안 불가능했던 에너지 중첩이 없는 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하는 데에 성공했다.

즉, 빛 편광 제어 '광 스타크 효과(Optical Stark effect)'를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 된 것이다. 광 스타크 효과는 빛이 머리카락 1개 두께만큼 움직이는 데 걸리는 시간(수백 펨토초) 단위만큼 엑시톤 에너지 준위를 변화시키는 현상이다.

▲ 원자두께 ReS2 및 실험 모식도<왼쪽>와 초단파 레이저의 편광을 이용한 엑시톤 에너지 준위의 선택적 제어.

최 교수는 “이 연구는 초고속 레이저의 편광을 조절해 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 두 엑시톤 에너지를 선택적으로 제어하는 기술을 개발한 것에 의의가 있다”며 “펨토초 스위치, 광센서, 초고속 광통신 등에 적용돼 무인자동차, 로봇공학, 의료, 군사기술 등에 응용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이 연구성과는 미래창조과학부 한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)·기초연구실육성사업·글로벌프론티어지원사업의 통해 이루어졌으며, 지난달 18일 국제적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

최소망 기자 somangchoi@