▲ (左부터) 김대식 서울대학교 물리학부 교수, 이상민 아주대학교 교수, 옹스트롬 크기의 금속 틈에서의 빛의 초집속. .

국내 연구진이 0.1나노미터 수준에서 새로운 물리 현상을 관찰할 수 있는 구조를 만들고 새로운 양자역학현상을 관측해 향후 전자소자 분야 등에 혁신에 큰 영향을 줄 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김대식 서울대학교 교수와 이상민 아주대 교수 등이 세계 최초로 원자 크기인 0.1 나노미터 너비와 밀리미터 수준의 길이를 가진 금속 틈을 제작하고, 여기에 밀리미터 크기의 파장을 가진 빛을 모으는데 성공함해 전자기파에 의해 유도된 전자가 자신이 가진 에너지 보다 높은 벽을 통과하는 ‘전자 터널링’ 현상을 관찰하는데 성공했다고 밝혔다.

‘금속 틈’이란 빛이 틈새를 통해서만 투과 한다는 성질을 딴 것으로 파장보다 작은 구먹으로 빛이 투과, 회철, 집속하는 현상을 관측하기에 유용한 구조이다.

현재 빛을 나노미터 크기로 한곳에 집속해 극소량의 생물 및 화학분자를 정밀하게 검출하거나 접속된 강한 전기장을 물질에 가해 새로운 물리 현상을 발견하는 ‘나노광학’은 자외선부터 마이크로웨이브까지 다양한 주파수 영역에서 이루어진다.

나노광학의 다음단계인 ‘옹스트롬 광학’은 0.1나노미터에서 수행되는 연구로 고전역학이 설명할 수 없는 미시적인 대상에서 적용되는 양자역학적 효과를 관찰할 수 있다.

연구팀은 지금까지 파장이 밀리미터인 테라헤르츠파 빔 크기에 맞게 1 나노미터 틈 배열구조를 만들어 테라헤르츠파가 틈 내부에 강하게 집속됨을 관측했다.

이번 연구에서는 평행하게 배열된 두 금속 필름 사이에 원자 크기인 0.1 나노미터 틈을 만들기 위해 이차원 물질인 그래핀을 수직으로 세워 금속 틈 사이에 끼워 넣은 구조를 제작하였다.

이 구조를 통해 그래핀과 금속 사이에 존재하는 0.1 나노미터의 틈은 빛을 집속할 수 있는 이론적으로 가장 작은 공간이다. 이 틈을 수 밀리미터로 길게 만들어서 테라헤르츠파를 강하게 집속하는데 성공하였다.

연구팀은 옹스트롬 크기의 틈 내부에 테라헤르츠파를 강하게 집속해 틈 사이의 전기장이 최대 17V/nm까지 걸리는 것을 관측하였고, 입사하는 테라헤르츠파의 세기가 증가할수록 전기장 집속도가 현저하게 줄어들면서 강한 광학적 비선형성이 나타나는 새로운 양자역학적 현상을 관측했다.

이러한 비선형 현상은 옹스트롬 크기의 금속 틈 사이로 빛이 집속될 때 두 금속 사이에 형성된 에너지 장벽의 한 쪽 방향으로 전자의 터널링이 우세하게 일어나면서 나타남을 규명, 옹스트롬 구조에서 양자역학적 현상을 다루는 연구 분야에서 선도적인 역할을 하게 되었으며 이를 통해 전자소자 분야 등 첨단분야 혁신의 가능성을 제시하였다.

김대식 교수는 “테라헤르츠파를 파장보다 작은 구멍에 집속시키는 지난 10년 간의 노력을 통해서 틈의 크기를 밀리미터 수준에서 나노미터 수준까지 줄여왔고, 이번 연구를 통해서 원자 크기인 0.1 나노미터까지 도달하는데 성공함으로써 빛을 파장보다 천만 배 작은 틈에 집속시킨 것에서 세계 기록을 세웠다”고 밝혔다.

“이를 바탕으로 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 마련한 것이다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원)을 통해 수행되었으며, 연구결과는 물리학 분야의 세계적인 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)지 9월 16일자 온라인판에 표지논문으로 게재되었다.