한 곳에서 다른 곳으로 빛을 전달하는 것은 현대 정보 세계의 중추입니다. 광섬유 케이블은 깊은 바다와 광활한 대륙을 건너 YouTube 비디오 클립부터 은행 송금에 이르기까지 모든 것을 머리카락처럼 얇은 섬유로 담고 있는 빛을 전달합니다. 그러나 시카고 대학의 박지웅 교수는 섬유를 더 얇고 평평하게 만들면 어떤 일이 일어날지 알고 싶었습니다. 너무 얇아서 실제로는 3차원이 아닌 2차원이 되었습니다. 빛은 어떻게 되나요?
시카고 대학의 과학자들은 단지 몇 개의 원자 두께의 유리 결정이 빛을 포착하고 전달할 수 있으며 다양한 응용 분야에 사용될 수 있음을 발견했습니다. 공동저자인 홍한유 씨가 들고 있는 플라스틱 중앙에 있는 가는 실이 바로 이 소재다. 이미지 출처: 장 라샤(Jean Lachat)
일련의 혁신적인 실험을 통해 그와 그의 팀은 원자 몇 개 두께의 얇은 유리 결정 조각이 빛을 포착하고 전달할 수 있다는 것을 발견했습니다. 뿐만 아니라 놀라울 정도로 효율적이며 상대적으로 먼 거리(1cm)를 이동할 수 있는데, 이는 광 기반 컴퓨팅 세계에서는 매우 먼 거리입니다.
레이저 연구실 박지웅 교수(왼쪽)와 홍한유 과학자(오른쪽)가 빛 자체보다 작은 물질이 빛을 전달할 수 있음을 확인한 레이저 연구실. 이미지 출처: 장 라샤(Jean Lachat)
최근 사이언스(Science) 저널에 발표된 이 연구는 본질적으로 2차원 광 회로가 무엇인지 보여주고 새로운 기술의 길을 열 수 있습니다.
“우리는 이 초박형 결정이 얼마나 강력한지 완전히 놀랐습니다. 에너지를 보유할 수 있을 뿐만 아니라 유사한 시스템에서 본 것보다 수천 배 더 멀리 전달할 수도 있습니다. 갇힌 빛은 마치 2차원 공간을 여행하는 것처럼 행동합니다.”라고 제임스 프랭크 연구소와 프리츠커 분자 공학 대학의 화학과 교수이자 교수이자 연구 책임자인 박지웅 박사는 말했습니다.
가이드 라이트
새로 발명된 시스템은 본질적으로 2차원적인 도파관(waveguide)으로 알려진 빛을 유도하는 방법입니다. 테스트에서 연구원들은 매우 작은 프리즘, 렌즈 및 스위치(회로 및 컴퓨팅의 모든 요소)를 사용하여 칩의 경로를 따라 빛의 방향을 지정할 수 있음을 발견했습니다.
광자 회로는 이미 존재하지만 훨씬 더 크고 3차원적입니다. 결정적으로 기존 도파관에서는 광입자(소위 광자)가 항상 도파관 내에서 전파됩니다.
과학자들은 이 시스템에서 유리 결정이 실제로 광자 자체보다 얇기 때문에 광자의 일부가 실제로 이동하면서 결정 밖으로 튀어나온다고 설명합니다.
박지웅 교수(왼쪽)와 과학자 홍한유(오른쪽)가 시카고대학교 박교수 연구실에서 물질을 조사하고 있다. 테스트에서 그들은 작은 프리즘, 렌즈 및 스위치를 사용하여 회로 및 컴퓨팅의 모든 요소인 칩의 경로를 따라 빛을 비출 수 있습니다. 사진 제공: Jean-Rachat
이는 공항에서 여행 가방을 운반하기 위한 튜브를 만드는 것과 여행 가방을 컨베이어 벨트에 올려놓는 것과 비슷합니다. 컨베이어 벨트 위에는 여행가방이 열려 있어 이동 중에도 쉽게 확인하고 조절할 수 있습니다. 빛이 렌즈나 프리즘을 통해 쉽게 이동할 수 있기 때문에 이 접근 방식을 사용하면 유리 결정으로 복잡한 장치를 더 쉽게 만들 수 있습니다.
광자는 또한 도중에 상태에 대한 정보를 경험할 수도 있습니다. 밖에 눈이 내리는지 확인하기 위해 외부에서 들어오는 여행가방을 확인하면서 생각해 보세요. 마찬가지로 과학자들은 이러한 도파관을 사용하여 미세한 수준의 센서를 만드는 것을 상상할 수 있습니다.
"액체 샘플이 있고 특정 분자의 존재를 감지하고 싶다고 가정해 보겠습니다."라고 Park은 설명합니다. "도파관이 샘플을 통과하도록 설계할 수 있으며, 해당 분자의 존재로 인해 빛의 동작이 변경됩니다."
과학자들은 또한 동일한 칩 영역에 더 작은 장치를 통합하기 위해 서로 적층할 수 있는 매우 얇은 광자 회로를 구축하는 데 관심이 있습니다. 이 실험에 사용된 유리 결정은 이황화 몰리브덴이었지만 이 원리는 다른 재료에도 적용됩니다.
이론 과학자들은 이러한 행동이 존재해야 한다고 예측했지만 실제로 실험실에서 이를 달성하는 데는 수년이 걸렸다고 과학자들은 말했습니다.
논문의 공동 제1저자이자 대학원생인 홍한유(Hanyu Hong)는 “완전히 새로운 분야에 진출했기 때문에 이것은 매우 도전적이었지만 만족스러운 문제였습니다. 따라서 재료 성장부터 빛이 움직이는 방식을 측정하는 것까지 우리가 필요한 모든 것을 스스로 설계해야 했습니다.”라고 말했습니다.