(왼쪽) 기존 위상학적 절연체와 (오른쪽) 이번 연구에서 발표한 위상절연체 모식도. 기존의 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필수였던 것과 달리 본 연구에서 발표한 위상절연체는 스핀-궤도 결합이 필요없으며 독특한 비선형적 분산 관계를 가짐.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국연구재단은 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀이 주기적인 3차원 구조체를 설계, 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체를 구현했다고 21일 밝혔다.

이는 기존 3차원 위상절연체 구현을 위해 스핀-궤도 결합이 필수적 이었던 것과는 차별화된 성과다.

스핀-궤도 결합이란 물체의 자전과 진행방향이 서로 연관되어 있음을 뜻한다. 축구에서 공에 회전을 넣으면 직진하지 않고 휘는 것이 예다.

3차원 광학 위상절연체란 내부로는 빛이 지나가지 못하고 절연체의 외부 표면 또는 두 절연체 사이의 경계면에서만 빛이 흐르게 하는 물질이다.

이렇게 발생된 표면파는 표면 상태에 관계없이 절연체 특성에 따라 항상 존재하여, 빛을 견고하게 제어할 수 있는 핵심 수단으로 알려져 있다.

하지만 기존 발표된 3차원 위상절연체는 스핀-궤도 결합을 바탕으로 하고 있어, 절연체의 외부 표면이 아닌 서로 다른 두 절연체 사이의 경계면에서만 표면파가 나타난다는 문제가 있었다. 또 이러한 표면파는 물체의 내부에서 흐르는 특성상 외부에서는 표면파로의 접근이 어려워 응용에 한계가 있었다.

연구팀은 주기적인 3차원 구조체 내에서 빛의 전자기장 분포가 서로 다른 두 가지의 방향성을 보이는 점에 착안, 이러한 전자기장 분포가 스핀의 역할을 대체할 수 있음을 발견했다.

이를 통해 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 광학 위상절연체를 구현해 두 절연체 사이의 경계면이 아닌 외부 표면에서 표면파가 나타날 수 있음을 검증했다.

이번 연구에서 발표한 스핀-궤도 결합이 없는 3차원 위상절연체는 외부 겉면에서 표면파를 가짐에 따라, 표면파 발생을 위해 인공적으로 피복 등을 감싸지 않아도 될 뿐만 아니라 표면파의 측정 또한 쉬워 응용성이 높은 장점이 있다.

노준석 교수는 “무피복 광통신 구현 가능성을 통해 통신 시스템 단순화 및 소형화에 실마리를 제공 할 것으로 기대된다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 세종과학펠로우십사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 6월 17일 온라인 게재됐다.