▲ 왼쪽) 기존 위상학적 절연체와 (오른쪽) 본 연구에서 발표한 위상절연체 모식도. 기존의 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필수였던 것과 달리 본 연구에서 발표한 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필요없으며 독특한 비선형적 분산 관계를 가짐.(그림설명 및 그림제공_포항공과대학교 노준석 교수)  © 특허뉴스

한국연구재단은 노준석 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주기적인 3차원 구조체를 설계하여 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체를 구현했다고 밝혔다.

이는 기존에 3차원 위상절연체 구현을 위해 스핀-궤도 결합이 필수적 이었던 것과는 차별화된 성과이다.

3차원 광학 위상절연체란 내부로는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐르게 하는 물질이다.

이렇게 발생된 표면파는 표면 상태에 관계없이 절연체 특성에 따라 항상 존재하여, 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다.

그러나 기 발표된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어, 절연체의 외부 표면이 아닌 서로 다른 두 절연체 사이의 경계면에서만 표면파가 나타난다는 문제가 있으며, 이러한 표면파는 물체의 내부에서 흐르는 특성상 외부에서는 표면파로의 접근이 어려워 응용에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 서로 다른 두 가지의 방향성을 보이는 점에 착안, 이러한 전자기장 분포가 스핀의 역할을 대체할 수 있음을 발견하였다.

이를 통해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현하여 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 검증하였다. 

본 연구에서 발표한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 외부 겉면에서 표면파를 가짐에 따라, 표면파 발생을 위해 인공적으로 피복 등을 감싸지 않아도 될 뿐만 아니라 표면파의 측정 또한 쉬워 응용성이 높은 장점이 있다.

또한, 무피복 광통신 구현 가능성을 통해 통신 시스템 단순화 및 소형화에 실마리를 제공 할 것으로 기대된다.

현재는 3차원 공정의 어려움으로 인해 수십 밀리미터의 파장을 가진 마이크로웨이브에서만 작동이 가능하나, 이광자리소그래피와 같은 나노스케일의 3D 프린팅 공정을 이용한다면 수백 나노미터의 파장인 근적외선이나 가시광선 영역에서 구현 가능할 것이다.

이번 연구의 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 17일 온라인 게재되었다.