국내 연구진이 세계 최초로 원자 크기인 0.1나노미터(㎚) 수준 금속 틈에 빛을 모으는데 성공했다.

김대식 서울대 교수팀과 이상민 아주대 교수팀은 0.1㎚ 너비와 밀리미터 길이를 가진 금속 틈을 제작해 밀리미터 크기의 파장을 가진 빛을 모으고, 전자기파에 의해 유도된 전자 터널링 현상을 관찰하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

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옹스트롬 크기의 금속 틈에서의 빛의 초집속.

연구팀은 평행하게 배열된 두 금속 필름 사이에 원자 크기인 0.1㎚ 틈을 만들기 위해 이차원 물질인 그래핀을 수직으로 세워 금속 틈 사이에 끼워 넣은 구조를 제작했다. 그래핀과 금속 사이에 존재하는 0.1㎚ 틈은 빛을 집속할 수 있는 이론적으로 가장 작은 공간이다. 이 틈을 수 밀리미터로 길게 만들어 테라헤르츠파를 강하게 집속하는데 성공했다.

연구팀은 옹스트롬(Å:1억분의 1㎝) 크기 틈 내부에 테라헤르츠파를 강하게 집속함으로써 틈 사이에 전기장이 최대 17V/㎚까지 걸리는 것을 관측했고, 입사하는 테라헤르츠파 세기가 증가할수록 전기장 집속도가 현저하게 줄면서 강한 광학적 비선형성이 나타나는 새로운 양자역학적 현상을 관측했다.

김대식 교수는 “테라헤르츠파를 파장보다 작은 구멍에 집속시키는 지난 10년간 노력을 통해 틈의 크기를 밀리미터 수준에서 나노미터 수준까지 줄였다”며 “이번 연구를 통해 원자 크기인 0.1㎚까지 도달하는데 성공함으로써 빛을 파장보다 천만배 작은 틈에 집속시킨 것에서 세계 기록을 세웠다”고 밝혔다. 이어 “원자 단위에서 강하게 일어나는 전자의 터널링 현상을 빛을 통해 측정하는 등 양자 크기 수준에서 빛과 물질의 상호작용을 관찰할 수 있도록 한 것은 원자 크기 수준에서 이루어지는 옹스트롬 광학의 발판을 마련했다”고 강조했다.


연구결과는 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 9월 16일자 온라인판에 표지논문으로 게재됐다.


권건호기자 wingh1@etnews.com