[ 김동언교수팀, 표면 플라즈몬 제어기술 개발 ]

원자가 복사하거나 흡수하는 에너지의 주기가 일정한 것을 이용해 만드는 현존하는 가장 정밀한 시계 ‘원자시계’. 김동언교수팀이 광학기술에 활용되고 있는 표면 플라즈몬을 레이저로 이 시계처럼 정밀하게 제어할 수 있는 현상을 확인하고, 이를 규명하는데 성공했다.

막스플랑크 한국–포스텍 연구소 김동언 교수팀은 레이저로 표면 플라즈몬을 유도하고 이 현상이 원자시계와 마찬가지로 정밀하게 움직이며 제어할 수 있다는 사실을 관찰했다.

금속에 레이저 빛을 조사(助射)하면 금속 위의 전자가 일정한 진동수로 진동하게 된다. 이를 표면 플라즈몬이라고 부르며, 표면 플라즈몬이 일어나면 진동수에 의해 특정한 에너지를 가지게 되는데 이 에너지와 파장이 일치하는 빛과만 상호작용한다는 특성이 있다. 이런 특성을 이용해 표면 플라즈몬은 광학 필터나 디스플레이, 리소그래피, 바이오 센서 등 다양한 나노‧바이오 광학기술에 활용되어 왔다.

최근에는 이 현상을 전자(電子)를 ‘찰나’의 시간으로 알려진 아토초 영역의 시간과 나노미터 크기의 공간에서 제어하는 초고속 광학연구에 활용하고 있지만, 이 표면 플라즈몬이 레이저 주파수에서는 얼마나 정확하게 움직이는지에 대해선 규명된 바가 없었다.

연구팀은 수천 개의 금속 나노구멍을 일정한 간격으로 배열한 구조를 만들고, 극고속 레이저광을 쐬어 표면 플라즈몬현상을 유도한 다음, 방출되는 광 주파수를 분석, 레이저 빛이 표면 플라즈몬으로 바뀌는 과장에서 광 주파수가 왜곡되지 않는다는 사실을 확인했다.

다시 말해, 표면 플라즈몬을 ‘원자시계’에 활용되는 레이저 빛 주파수의 높은 정밀도로 제어할 수 있다는 사실을 규명해낸 것이다.

이 실험을 주도한 막스플랑크 한국–포스텍 연구소 김승철 주니어그룹 리더는 “표면 플라즈몬을 아주 정밀하게 제어할 수 있다는 사실을 밝혀냄으로써, 앞으로 초고속 광학에서의 전자 제어 기술에 응용할 수 있으며, 초정밀 고속 분광기술이나 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서 기술로도 발전시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이 성과는 네이처가 출판하는 네이처 커뮤니케이션즈지를 통해 게재됐다.