서울대 공대 박남규 교수-유선규 교수 연구팀, 
공간적 구조를 시간 축으로 옮긴 전자파 프리즘 구현 성공

- 공간 상에서 균일한 물질로도 전자파를 제어하는 시간구조 전자파 프리즘 구현
- 세계적인 국제학술지 네이처 피직스에 게재

▲ (좌측부터) 서울대 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 교수, 김정민 박사, 이다영 학생

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 교수 연구팀이 전자파 소자의 기능적인 구조를 시간 축으로 옮겨 균일한 물질로도 전자파를 자유자재로 제어할 수 있는 시간구조 전자파 프리즘 구현에 성공했다고 밝혔다.

해당 시스템은 공간적인 구조가 없는 균일한 물질의 시간적 특성을 변화시켜 동작하는 전자파 소자로서 주파수, 방향 및 세기를 제어할 수 있다. 이번 연구 성과는 세계적인 국제학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF=19.684)에 20일 게재됐다. 

빛을 포함한 전자파의 제어에는 수 밀리미터(1,000분의 1미터)에서 수 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 복잡한 구조, 즉 미세 패터닝 구조가 필요하다. 지난 수십 년간 과학계에서는 이러한 공간적 미세구조를 활용해 전자파를 제어하는 노력을 기울여왔다.

최근 과학계에서는 공간적 질서(Crystal) 개념을 시간축 결정으로 확장한 시간 결정(Time/Temporal Crystal)에 대한 연구가 활발하게 진행중임에도 불구하고, 아직 기초 학문으로서의 탐구수준에 머물러 있다.

공간적 무질서계를 시간 축으로 확장한 연구도 존재하였으나, 이를 실제로 유용한 전자파 제어 기능을 갖는 소자로 구현한 연구는 없었다. 여기서 질서는 대칭성과 주기성을 가지는 특수한 규칙적인 시스템이며, 무질서는 질서를 포함하지 않는 모든 경우를 포함하는 광범위한 개념이다.

서울대 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 교수 연구팀은 ‘설계된’ 시간 무질서(Time Disorder) 개념을 세계 최초로 정립하여, 파동의 주파수, 전파 방향 및 산란 특성을 자유롭게 제어하고 공간적 패터닝이 없는 전자파 소자의 개념을 최초로 제시하였다.

3차원, 그리고 좌우대칭인 공간 축과 비교했을 때 시간은 한 방향으로만 흐르는 1차원 정보만을 제공하기 때문에, 전자파를 자유자재로 제어하기에 충분하지 않은 것으로도 여길 수 있다. 그러나 연구팀은 무질서의 개념이 수많은 공학적 자유도를 제공할 수 있음에 주목하였다.

연구팀은 맥스웰 방정식에 시간 무질서 개념을 이식하는 방법과 이를 통한 전자파 제어에 대한 이론적 틀을 확립하였다. 이를 바탕으로 균일한(즉, 미세 패터닝이 없는) 물질의 시간에 따른 변화만으로도 전자파를 자유자재로 제어할 수 있음을 증명하였다.
 

[그림 1] 시간 무질서 프리즘: 공간상에서 균일한 시스템이 시간에 따라 ‘설계된 무질서’로 변화함으로써, 전자파의 주파수를 분리할 수 있다.

특히, 물질의 시간적 변화에 ‘설계된 무질서’ 개념을 도입하여, 원하는 전자파제어 기능을 구현하는 하향설계기법도 개발하였다.

논문의 교신저자인 박남규 교수는 “간단한 예로서, 빛의 색을 분리하려면 빛의 경로에 놓인 프리즘과 같이 공간상의 매질 변화가 필수적이었다”며 “본 연구는 공간적 구조에만 의존하던 신호/연산 기능을 시간상의 변화로 대체할 수 있음을 증명한 첫 연구다”고 연구의 의의를 밝혔다.

논문의 공동교신저자인 유선규 교수는 “시간 축은 공간 영역에 비해 아직 탐색 되지 않은 활용처가 많다”며 “이를 메타물질이라는 플랫폼을 통해, 시공간을 연계하는 광학 소자 개발에 힘쓸 것이다”고 향후 목표를 밝혔다.

논문의 제1저자인 김정민 박사는 “본 연구는 시간에 따른 시스템 변화를 필수적으로 요구하는 광자 뉴런 및 광양자 컴퓨터의 구현에 직접적으로 활용할 수 있을 것이다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프런티어사업(GFP, 파동에너지 극한제어 연구단), 기초연구실 사업(BRL, 전자-광자 하이브리드 기반 멤리스틱 소자 기초연구실) 및 우수신진연구 사업의 지원으로 수행되었다.

[문의사항]
서울대학교 전기정보공학부 박남규 교수 / nkpark@snu.ac.kr
서울대학교 전기정보공학부 유선규 교수 / sunkyu.yu@snu.ac.kr