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

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

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

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 원하는 대로 제어하는 것에 한계가 있다.

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

서울대 전기정보공학부 유선규 교수와 박남규 교수 연구팀은 합성차원의 개념을 도입해 1998년 노벨물리학상 수상자인 로버트 러플린(Robert Laughlin)이 제안한 3차원 실린더 구조의 ‘위상학적 펌프’를 2차원 광집적회로 시스템에서 구현하는 데 세계 최초로 성공했다. 해당 소자는 위상물리학(Topological Physics)적 성질을 활용, 소자 제작 시 공정 오차에 매우 강한 특성을 갖는다. 이는 수십 나노미터(10억분의 1미터)의 오차에도 민감한 광학 소자 구현 시 큰 이점이다.

연구팀은 집적회로 구현이 쉬운 2차원상 빛의 흐름을 3차원으로 확장하기 위해 빛의 주파수 축에 주목했다. 이를 위해 빛이 흐르는 매질을 시공간상에서 변화시켰으며, 이 경우 빛이 마치 3차원 실린더 상에서 흐르듯이 구현할 수 있음이 증명됐다.

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

논문 제1저자인 김지성 학생은 “이전에 극저온 원자 시스템에서 러플린 펌프가 구현된 바 있으나, 상온 동작 및 확장성이 있는 구현 사례는 전무했다”며 “또 주파수 합성차원을 활용함으로써 관찰이 어려운 고차원 위상학적 현상을 저차원에서 구현하는 데 성공했다”고 의의를 밝혔다.

논문의 공동 교신저자인 유선규 교수와 박남규 교수는 “이번 연구를 기반으로 빛의 색(즉, 주파수)을 매우 안정적으로 제어할 수 있게 됐으며, 해당 특성은 위상학적으로 보호되는 광자 메모리 및 광자 컴퓨팅 소자 등에 직접적으로 활용할 수 있다”고 말했다.

한편 해당 연구는 학부생 연구원인 김지성 학생(제1저자: 현재 버클리대학교 박사 과정)과 김경훈 학생이 주도했으며, 과학기술정보통신부 기초연구실 사업(BRL, 전자-광자 하이브리드 기반 멤리스틱 소자 기초연구실), 중견 연구자 및 우수신진연구 사업과 서울대학교 창의선도 신진연구자 지원사업을 통해 수행됐다.