<그림. 표면 플라즈몬 반류의 시뮬레이션 이미지
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

빛과 같은 반류를 제어하는 메타물질

미국, 싱가포르, 이탈리아의 연구진은 메타물질이 광과 같은 반류(wake)를 생성하고 제어할 수 있다는 것을 증명했다. 메타물질은 에칭된 나노슬릿(nanoslit)을 가진 아주 얇은 금속 박막으로 만들어졌다. 이번 연구진은 메타물질의 표면 플라즈몬을 이용해서 이것을 가능하게 했다. 이 연구결과는 새로운 2차원 플라즈몬 렌즈, 커플러, 라우터 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

체렌코프 방사선(Cerenkov radiation)은 매질 속에서 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 때 전자와 같은 대전된 입자에 의해서 방출되는 방사선이다. 물 반류(Water wake)는 선박에 의해서 생성되고, “V”를 형성하는 두 개의 선 패턴을 생성한다. 이 효과는 19세기에 Lord Kelvin으로부터 처음 설명되었다. “실제로, 체르코프 방사와 물 반류는 파동보다 더 빠르게 이동하는 일반적인 파동 현상”이라고 Daniel Wintz가 설명했다. “파동은 그들이 생성되는 것보다 더 빠른 방법으로 사라질 수 없다. 이런 파동들은 반류 또는 소닉 붐(sonic boom) 속에서 생성된다”고 Wintz가 말했다.

이 연구결과는 싱가포르 제조기술연구소(Singapore Institute of Manufacturing Technology), CNR-SPIN, Eos Photonics 사의 과학자들에 의해서 수행되었다. 이번 연구진은 금속 표면에 구속되는 빛과 같은 파동인 표면 플라즈몬을 조사했다. “표면 플라즈몬이 파동이기 때문에, 이것은 표면 플라즈몬 반류가 존재할 수 있고, 우리는 그들을 생성하고 조정하는데 세계 최초로 성공했다”고 Wintz가 말했다.

이번 연구진은 에칭된 나노슬릿을 가진 아주 얇은 금속 박막으로부터 1차원 메타물질을 만들었다. 메타물질은 빛에 반응하는 막대와 고리와 같은 매우 작은 구성요소의 어레이로 구성되고 파장 이하의 패턴을 가진 구조를 가진다. 예를 들어, 메타물질은 일반적인 재료와 반대 방향으로 빛을 구부리기 위해서 음의 굴절률을 가지도록 디자인될 수 있다. 이러한 독특한 특성들은 이런 구조들이 “슈퍼렌즈(superlens)”를 만드는데 사용된다는 것을 의미한다. 또한 그들은 전자기파를 위한 “투명 망토”를 만드는데 사용될 수 있다.

이번 실험에서, 이번 연구진은 연속파를 가진 메타물질 속에 나노슬릿을 여기시켰다. 연속파의 속도는 빛과 같은 표면 플라즈몬 속도보다 더 높다. 표면 플라즈몬이 금속의 표면을 따라서 이동할 수 있기 때문에, 통상적인 카메라로 그들을 검출하는 것은 어렵다. 이런 문제점을 극복하기 위해서, 이번 연구진은 표면 플라즈몬 반류의 이미지를 만드는데 근접장 주사 광학 현미경(near-field scanning optical microscopy, NSOM)이라고 불리는 기술을 활용했다.

이 연구는 새로운 유형의 2차원 플라즈몬 렌즈, 커플러, 라우터를 생성하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. “이것은 서로 다른 빌딩 블록(예를 들어, 렌즈, 거울, 프리즘)과 결합함으로써 빛을 조절할 수 있기 때문에 중요하다”고 Wintz가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.137).

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr