서울대 공대 전기정보공학부 유선규 교수-박남규 교수 연구팀, 

안정적으로 빛의 색을 바꾸는 위상학적 펌프 구현 성공

- 합성 차원 개념을 도입하여 3차원 실린더 구조를 공정이 용이한 2차원 평면 상에서 구현

- 세계적인 국제학술지 Physical Review Letters에 17일자로 게재

▲ (좌측부터) 서울대학교 전기정보공학부 유선규 교수, 박남규 교수, 김지성 학부생 연구원(현재 UC버클리 박사과정), 김경훈 학부생 연구원, 박형철 박사과정 연구원

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 전기정보공학부 유선규 교수, 박남규 교수 연구팀이 빛의 주파수를 변조할 수 있는 3차원 위상학적 펌프(pump)를 2차원 평면 상에 구현했다고 18일 밝혔다.

해당 시스템은 주파수 공간을 가상의 합성차원(synthetic dimension)으로 활용함으로써, 복잡한 3차원 입체에서의 물리현상을 2차원 평면에서 구현할 수 있다는 이점을 누릴 수 있다.

이번 연구 성과는 미국 스탠퍼드 대학교 Shanhui Fan 교수와의 국제협력 연구를 통해 달성되었으며, 물리학 분야 세계적인 학술지인 Physical Review Letters에 1월 17일 게재되었다.

현재 반도체 및 광소자 제작 기술은 기본적으로 2차원 구조 및 이들의 적층을 활용한다. 이 경우 실린더, 다면체 등과 같은 3차원 구조가 제공할 수 있는 높은 설계 자유도를 활용할 수 없기 때문에, 전기 또는 빛 등의 신호를 원하는대로 제어하는 것에 한계가 있다.

최근 과학계에서는 해당 한계 돌파를 위해 공간 차원을 다른 물리량으로 치환하는 합성차원(Synthetic Dimension)의 개념이 제안되어 활발하게 연구되고 있다. 예를 들어 공간 정보를 소자가 가지는 고유 주파수 정보에 대응시켜 새롭게 차원을 정의하는 방식이다. 해당 기법을 통해 3차원 또는 그보다 높은 차원의 물리 현상을 제작이 용이한 2차원 상에서 구현할 수 있다.

서울대 전기정보공학부 유선규 교수, 박남규 교수 연구팀은 합성차원의 개념을 도입하여, 1998년 노벨물리학상 수상자인 로버트 러플린(Robert Laughlin)이 제안한 3차원 실린더 구조의 “위상학적 펌프”를 2차원 광집적회로 시스템에서 구현하는데 세계 최초로 성공하였다. 해당 소자는 위상물리학(Topological Physics)적 성질을 활용하여, 소자 제작 시의 공정오차에 매우 강한 특성을 갖는다. 이는 수십 나노미터(10억분의 1미터)의 오차에도 민감한 광학 소자 구현 시 큰 이점이다.

연구팀은 집적회로 구현이 용이한 2차원 상 빛의 흐름을 3차원으로 확장하기 위해, 빛의 주파수 축에 주목하였다. 이를 위해 빛이 흐르는 매질을 시공간 상에서 변화시켰으며, 이 경우 빛이 마치 3차원 실린더 상에서 흐르듯이 구현할 수 있음이 증명되었다.

또한, 해당 시공간 변화가 빛이 가상의 자기장을 느끼게 함으로써, 러플린이 제안한 펌프의 위상학적 특성도 함께 구현하였다.

▲ 합성차원에서 구현된 광자 러플린 펌프 집적회로의 개념도, 각 단면은 서로 다른 주파수를 갖는 광학적 상태를 보여줌, 

해당 구조를 통해 위상학적 특성을 갖는 단방향 빛의 주파수 변조를 얻을 수 있음

논문의 제1저자인 김지성 학생은 “이전에 극저온 원자 시스템에서 러플린 펌프가 구현된 바 있으나, 상온 동작 및 확장성이 있는 구현 사례는 전무했다"며 “또한, 주파수 합성차원을 활용함으로써 관찰이 어려운 고차원 위상학적 현상을 저차원에서 구현하는데 성공하였다”고 의의를 밝혔다.

논문의 공동 교신저자인 유선규 교수와 박남규 교수는 “본 연구를 기반으로 빛의 색(즉, 주파수)을 매우 안정적으로 제어할 수 있게 되었으며, 해당 특성은 위상학적으로 보호되는 광자 메모리 및 광자 컴퓨팅 소자 등에 직접적으로 활용 가능하다”고 전했다.

한편, 해당 연구는 학부생 연구원인 김지성 학생(제 1저자; 현재 버클리대학교 박사 과정)과 김경훈 학생이 주도하였으며, 과학기술정보통신부 기초연구실 사업(BRL, 전자-광자 하이브리드 기반 멤리스틱 소자 기초연구실), 중견연구자 및 우수신진연구 사업과 서울대학교 창의선도 신진연구자 지원사업을 통해 수행되었다.

[문의사항]

서울대학교 공과대학 전기정보공학부 유선규 교수 / 02-880-7281 / sunkyu.yu@snu.ac.kr

서울대학교 공과대학 전기정보공학부 박남규 교수 / 02-880-1820 / nkpark@snu.ac.kr