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올해 노벨상 받은 광학집게로 신개념 광다이오드 소자 개발

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2018년 10월 04일 02:00 프린트하기

게티이미지뱅크 제공
게티이미지뱅크 제공

한국 과학자가 올해 노벨상을 받은 광학집게 기술로 주파수 대역에서 사용할 수 있는 범용 광다이오드를 처음으로 개발했다. 지금까지 광통신에서 사용되는 광다이오드는 좁은 주파수 대역별로 별도로 사용해야 했지만 이 기술을 활용하면 하나의 소자만 사용해도 된다.

 

송석호 한양대 물리학과 교수 연구진이 광통신 주파수 대역과 관계없이 작동하는 광다이오드 소자를 완성해 3일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다.

 

우리 주변의 빛(광자)은 제각각의 파장과 진동수를 갖고 있다. 자외선과 같이 파장이 300나노미터(㎚, 10억분의 1m)정도로 짧으면 에너지가 높고 진동수가 크다. 광자가 가진 고유 진동수와 공명하는 방식으로 만든 광다이오드 소자는 자신과 맞는 공명주파수 대역에서만 작동하는 한계가 있었다.

 

이를 극복하기 위해 연구진은 열린-양자역학계 이론을 도입했다. 송 교수는 “모든 총에너지가 보존되는 세계를 닫힌 역학계라 부른다”며 “약 20년 전에 나온 열린-양자역학계 이론은 에너지 보존법칙이 성립되지 않도록 변화를 주는 것”이라고 말했다.

 

에너지보존법칙이 작용하는 원리는 단순하다. 에너지를 얻는 쪽이 있으면 반드시 잃는 쪽이 동시에 발생한다. 이 원리만 깨면 열린 역학계가 탄생하는데, 아직은 양자 세계에서만 이런 현상이 실험적으로 확인된 상태다.

 

연구진은 레이저를 이용한 광학 집게 방식을 이용해, 양자를 붙잡은 다음 내부에 에너지를 주입했다. 양자 내부에 에너지가 손실되지 않고 외부에서 에너지가 들어오면서 양자에 에너지 상태가 변하도록 유도했다. 이를 이용해 주파수에 제한없이 작동하는 광다이오드 소자를 개발하는데 성공했다. 광학 집게는 올해 노벨 물리학상을 받은 아서 애슈킨 전 미국 벨연구소 박사가 개발한 도구로 레이저 빛으로 원자나 살아 있는 세포 같은 매우 작은 물체를 붙잡을 수 있는 기술이다.

 

손 교수는 “에너지에 따라 진동수도 달라지기 때문에 한 광자에서 다양한 주파수를 만들 수 있게 된 것”이라며 “특히 이번 연구 성과는 올해 노벨물리학상 수상자들이 이룩한 업적이 있었기에 가능했다”고 말했다.

 

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