- 비유클리드 쌍곡평면의 자유도를 적용한 새로운 광학 매질 설계
- 빛의 위상학적 특성 이용, 에러에 강하고 변조에 민감해 활용 용이
▲ (좌측부터) 서울대 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사
차세대 기술로 각광받고 있는 광학/양자 컴퓨팅 실용화를 위한 원천 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
서울대 공대(학장 차국헌)는 00일 전기정보공학부 박남규 교수 연구팀이 동작 조건과 공정 에러에 강하면서도 광학적 상태를 쉽게 변조할 수 있는 새로운 광 매질 설계 기법을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.
연구팀이 개발한 새로운 광 매질 설계 기법은 무한에 가까운 구조적 자유도로 최근 재료과학, 화학, 고체물리, 광학 등의 연구주제에서 주목받고 있는 비유클리드적 특성을 적용한 것이다. 연구팀은 쌍곡기하학의 특성을 유클리드 평면상에서 광학적으로 새롭게 구현할 방법을 제안하고, 해당 구조에서 흐르는 빛에 유효자기장을 발생시키는 방법을 구현함으로써 새로운 광 매질을 얻을 수 있음을 세계 최초로 증명했다.
▲그림 1. 양상추잎(왼쪽)과 같은 쌍곡기하면에 형성된 격자구조를 2차원 유클리드 영역에 사영(Projection)하여 쌍곡기하 격자 구조의 특성을 관찰할 수 있도록 구현된 광학 구조(오른쪽). 적색 도넛 도형은 광학적 공진기이며, 에메랄드색 도형은 각 공진기를 잇는 도파로 구조이다.
본 연구는 쌍곡기하 영역에서 빛의 위상학적 특성을 세계 최초로 관찰한 연구이며, 전자의 위상학적 특성을 나타내는 ‘호프스태더의 나비’를 광학 분야에서 쌍곡기하구조 영역까지 확장한 이론적 가치를 갖는다.
▲그림 2. (좌측) 유클리드 공간에서, 자기장과 빛의 주파수에 따른 광학적 상태를 표시하는 호프스태더 나비. (중간 및 우측) 서로 다른 쌍곡기하 격자 구조에서 새롭게 정의되는 “쌍곡기하” 호프스태더 나비. 자기장 및 주파수에 매우 민감한 특성을 가져 효율적 변조가 가능해진다.
특히 광학적으로 구현한 새로운 격자 매질에 유효 자기장을 가했을 때, 구조에 무질서나 에러가 있어도 빛의 투과 특성은 거의 100%에 가깝게 유지된다는 것을 확인했다. 동시에 자기장의 세기에 따라 에러에는 매우 강하면서도 매우 민감하게 빛의 투과를 제어할 수 있음을 검증해 기존의 성능을 뛰어넘는 고성능의 광신호처리가 가능함을 확인했다.
▲그림 3. 쌍곡기하구조의 특성을 유클리드 평면 상에서 광학적으로 구현한 새로운 “격자” 매질에서, 유효 자기장을 가해줬을 때 빛의 투과 현상. 구조에 무질서 또는 어떤 에러(여기서는 무질서한 원의 반지름으로 묘사)가 있더라도 빛의 투과 특성은 거의 100%에 가깝게 유지된다.
논문의 제1저자인 유선규 박사는 “해당 매질로 구성된 광소자에서는 동작 조건과 공정 에러가 들어가더라도 거의 100%에 가까운 투과 특성이 유지되며, 동시에 이러한 투과 특성이 유효자기장의 세기에는 매우 민감하다는 점이 유클리드 공간에서 정의된 매질과의 가장 큰 차이점”이라고 말하고 “이러한 에러 저항성과 민감도는 동시에 얻기 힘들다는 점에서 소자로서의 장점이 있으며, 해당 특성은 효율적이면서도 안정적으로 동작이 가능한 광학 스위치 및 트랜지스터, 궁극적으로는 빛을 이용한 컴퓨팅 기법 및 양자 컴퓨터 기술에 적용가능하다.”고 말했다.
박남규 교수는 “본 연구는 쌍곡기하 영역에서 빛의 위상학적(Topological) 특성을 처음으로 관찰한 연구라는 의의가 있다.”고 말하고 “실제로는 구현이 거의 불가능에 가까운 쌍곡기하구조가 아니라 우리에게 친숙하면서도 쉽게 구현 가능한 유클리드 평면 상에서 구현할 수 있다는 점, 그와 동시에 기존 소자들의 성능을 뛰어넘는다는 점에서 실용적인 가치가 있다. 특히, 위상학적 특성이 양자 컴퓨팅 분야에서 관심을 받음에도, 그 특성의 제어가 어려운 한계를 보완해준다는 점에서 미래 기술로서의 가치를 보여주고 있다.”고 설명했다.
연구팀은 “차후 다른 비유클리드 영역에서의 다양한 광학 현상들을 관찰할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’의 표지 논문으로 7월 29일에 게재되었다. 본 연구는 서울대 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사가 참여했으며 과학기술정보통신부의 글로벌 프론티어 사업(파동에너지 극한제어 연구단), 교육부의 대통령Post-Doc.펠로우십 과제, 과학기술정보통신부의 해외우수신진연구자유치(KRF) 사업의 지원을 받았다.
[용어해설]
1. 쌍곡기하학(Hyperbolic Geometry): 일정한 값의 음의 곡률을 갖는 기하구조(예를 들어 쌍곡면) 및 이 구조 위에서의 기하학을 다루는 비유클리드 기하학 분야 학문이다.
2. 유효자기장(Effective Magnetic Field): 특정한 입자의 움직임을 “마치” 전자에 자기장이 가해졌을 때와 유사하게 제어가 가능하도록 하는 어떤 원인을 가리키는 용어이다. 본 연구에서는 빛의 흐름이 자기장 하에서의 전자의 움직임과 “유효적으로” 유사하도록 하는 구조적/물질적 변수가 유효자기장으로 동작한다.
3. 위상학적(Topological) 특성: 연속적인 변형으로는 그 특성을 변화시킬 수 없는 보존량 또는 그 특성을 가리키는 말로 예를 들어 축구공과 도넛은 위상학적 특성이 다르다. 위상학적 특성을 갖는 물리적 현상은 에러에 매우 강한 특성을 가질 수 있다.
4. 공진기(Resonator): 빛의 에너지를 저장할 수 있는 광학 소자.
5. 도파로(Waveguide): 빛의 에너지를 전파할 수 있는 광학 소자.
[취재 문의]
서울대학교 전기정보공학부 박남규 교수 / nkpark@snu.ac.kr
서울대학교 전기정보공학부 유선규 박사 / sunkyu.yu@snu.ac.kr