2024년 5월 과학기술인상, 한국과학기술원 서민교 교수 선정 |
- 광학적 무반사와 광학적 진공의 극한 도전과 재발견 |
과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 한국과학기술원 물리학과 서민교 교수를 선정했다고 밝혔다.
‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.
서민교 교수는 광학적 무반사*와 광학적 진공의 실험적 극한에 도전하여 약한 세기의 빛-물질 상호작용 연구의 새로운 방법론과 가능성을 제시한 공로를 인정받았다.
*광학적 무반사: 빛이 물체에 닿으면 일부는 투과하거나 흡수되고 일부는 반사되는데, 빛의 반사를 완전히 줄여 0이 된 상태를 의미.
빛-물질 간 상호작용은 광학 분야 연구의 근간을 이루는 물리 현상으로, 레이저는 물론 태양전지 등 각종 광전자 소자와 여러 정밀 광학 측정법의 개발과 양자정보통신 기술 확립에 필요한 물성 연구의 핵심 요소이다.
빛의 반사가 완전히 0이 되는 광학적 무반사 조건은 이론적으로 쉽게 계산되지만, 실험으로는 0에 가까운 불완전한 무반사만 구현할 수 있었다.
서민교 교수는 실험적으로 완전한 광학적 무반사를 얻었고, 완전한 광학적 무반사가 가능한 수학적 조건이 외부 자극에 따라 준입자*적 거동을 보이는 새로운 형태의 광학적 소용돌이를 수반함을 밝혔다.
*준입자: 자연계에 존재하는 실제 입자는 아니지만, 마치 입자처럼 행동하는 객체. 일례로 음파는 이를 실어 나르는 실제 입자가 존재하지는 않지만, 매질의 기계적 진동을 포논이라는 준입자로 설명할 수 있다.
또한 광학적 무반사를 이용해 원자적 두께를 가지는 매질*의 약한 빛-물질 상호작용 현상을 간단하면서도 매우 정밀하게 측정하거나, 광학적 진공을 새로운 광전자/양자광학 소자 개발에 응용할 기반을 마련하였다.
*매질: 파동을 전달시키는 물질. 파도는 물결에 의해서 상하로 진동하면서 에너지가 전달되고, 지진파는 땅이 진동하면서 에너지가 전달되며 소리는 공기가 앞뒤로 진동하면서 에너지가 전달된다.
기존의 빛-물질 간 상호작용 연구들은 대개 빛의 전자기장을 강하게 집중시키는 방법으로 상호작용을 강화하였다. 반면 서민교 교수는 이와 반대 방향인 광학적 무반사와 광학적 진공을 이용해 약한 빛-물질 상호작용을 독립적으로 정밀하게 관측하거나 제어할 수 있음을 밝혔다.
이를 통해 배경 잡음보다 수천 배 작은 자기광학 신호를 광학적 무반사로 독립적으로 측정하거나, 광학적 진공을 만들어 2차원 매질 엑시톤*이 빛의 형태로 에너지를 잃어버리지 않고 보다 오랜 시간 존속하도록 하였다. 일련의 연구 성과는 2022년 11월 네이처(Nature)를 비롯해 여러 국제학술지에 게재되었다.
*2차원 매질 엑시톤: 원자적 수준으로 얇은 박막 매질에 존재하는 전자와 정공의 결합체
서민교 교수는 “이번 연구는 기존 빛-물질 상호작용 연구에 크게 활용되지 못했던 광학적 무반사나 광학적 진공이 오히려 고정밀 측정과 다양한 물성의 발현 등에 장점이 있음을 알리고, 그 극한을 이론적 계산에 머물지 않고 실험적으로 실현한 데 의의가 있다”라며 “앞으로 광학과 물리학 연구 개발에 새로운 방법론과 자유도를 가져다줄 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
