볼링을 칠 때, 볼에 스핀을 넣어 투구하면 커다란 활모양의 궤적을 만드는 것을 볼 수 있다. 이런 커브볼은 핀을 쓰러뜨리는 파괴력이 가장 좋으나 투구는 어렵다. 이런 현상은 빛에서도 일어나는데, 최근 국내 연구팀이 메타물질을 활용해 ‘광스핀홀 효과’를 수십 배 이상 증가시킬 수 있다는 결과를 내놓았다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수, 박사과정 김민경씨, 이다솔씨 팀이 인공적으로 디자인된 메타물질‧메타표면을 이용해 광스핀홀 효과를 증가시킴으로써 파장의 수 배 또는 수십 배 이상의 빛을 이동시킬 수 있음을 최초로 구현했다. 이 연구 성과는 최근 광학 분야 국제학술지 'ACS 포토닉스(ACS Photonics)' 표지논문으로 게재됐다.

광스핀홀 효과는 빛이 굴절할 때 입사면에 수직한 방향으로 빛이 이동해 나오는 현상을 가리킨다. 이는 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역대에서는 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터)로 매우 작아 관찰이 어렵다는 단점이 있었다.

지금까지 광스핀홀 효과를 증가시키기 위해 비등방성이 높은 물질인 하이퍼볼릭 메타물질이 연구됐다. 하이퍼볼릭 메타물질은 금속과 비금속을 파장보다 매우 얇은 두께로 쌓아 올린 적층 구조체로, 특정 방향으로는 금속의 성질을, 다른 방향으로는 비금속의 성질을 모두 가지기 때문에 광스핀홀 효과를 높일 수 있다.

그러나 효율과 광스핀홀 효과는 반비례해 높은 효율과 높은 광스핀홀 효과를 동시에 얻을 수는 없었다. 또한 하이퍼볼릭 메타물질을 활용했을 때 효율이 0.1% 미만으로 매우 낮아 실질적 응용이 불가능했다.

연구팀은 기존의 수평 적층형 하이퍼볼릭 메타물질이 아닌 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용해 광스핀홀 효과와 그 효율을 높이는 방안을 제시했다. 또한, 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질은 같은 물질 조합과 두께를 가진 수평 적층형보다 수천 배 이상의 광스핀홀 효과와 수백 배 이상의 효율을 갖는 것을 검증했다.

광스핀홀 효과가 사실상 존재한다는 것은 이론적으로 알고 있었지만 실제로 검출하기는 매우 어려웠다. 이 연구를 통해 수직형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용함으로써 광스핀홀 효과를 증대시킬 수 있을 뿐 아니라 목적에 맞게 이용할 수 있음을 확인했다.

연구팀이 제시한 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 활용한 광스핀홀 효과는 다양한 분야에 실질적 응용이 가능하다. 특히 편광에 따른 기능성 광필터, 광센서, 광스위치, 광 분할기(beam splitter) 등의 광소자로 활용 가능해 광집적회로, 광통신 등의 분야에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

노준석 교수는 “이 연구는 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용해 광 스핀홀 효과를 구현한 첫 번째 사례이며, 광스핀홀 효과를 높은 효율에서 얻을 수 있다는 것을 처음으로 제시했다”며 “이 연구를 통해 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질과 광스핀홀 효과에 대한 연구가 더욱 활발해지기를 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지역혁신선도연구센터(RLRC), 중견연구사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC), 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다.