과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 한국과학기술원 물리학과 서민교 교수를 선정했다고 5월 1일 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(광학적 무반사: 빛이 물체에 닿으면 일부는 투과하거나 흡수되고 일부는 반사되는데, 빛의 반사를 완전히 줄여 0이 된 상태를 의미)와 광학적 진공의 실험적 극한에 도전하여 약한 세기의 빛-물질 상호작용 연구의 새로운 방법론과 가능성을 제시한 공로를 인정받았다. 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(준입자는 자연계에 존재하는 실제 입자는 아니지만, 마치 입자처럼 행동하는 객체)적 거동을 보이는 새로운 형태의 광학적 소용돌이를 수반함을 밝혔다. 또한 광학적 무반사를 이용해 원자적 두께를 가지는 매질(파동을 전달시키는 물질)의 약한 빛-물질 상호작용 현상을 간단하면서도 매우 정밀하게 측정하거나, 광학적 진공을 새로운 광전자/양자광학 소자 개발에 응용할 기반을 마련하였다. 

  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(원자적 수준으로 얇은 박막 매질에 존재하는 전자와 정공의 결합체)이 빛의 형태로 에너지를 잃어버리지 않고 보다 오랜 시간 존속하도록 하였다. 일련의 연구 성과는 2022년 11월 네이처(Nature)를 비롯해 여러 국제학술지에 게재되었다.

  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”며 “앞으로 광학과 물리학 연구개발에 새로운 방법론과 자유도를 가져다줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<광학적 무반사와 광학적 진공의 극한 도전과 빛-물질 상호작용 연구 활용>

ㅇ 광학적 무반사 실험적 극한 도전과 준입자적 성질의 광학적 소용돌이 발견

빛의 반사가 완전히 0이 되는 광학적 무반사 조건은 이론적으로는 쉽게 계산된다. 하지만 실험적으로는 이론적 계산에 가깝게만 다가가는 불완전한 무반사만 구현되었다. 본 연구에서는 실험적 한계를 배제할 수 있는 새로운 방법을 개발하고 완전한 광학적 무반사를 얻어내는 데 성공하였다. 나아가, 완전한 광학적 무반사 조건이 외부 자극에 따라 준입자적 거동을 보이는 새로운 형태의 광학적 소용돌이체를 수반함을 보고하였다. 기존의 광학적 소용돌이가 완전히 고정된 수동적 특성을 보이는 데 비해, 본 성과는 광학적 시스템이 가질 수 있는 새로운 동역학적 자유도를 찾아낸 중요성을 가진다.

ㅇ 광학적 무반사 또는 광학적 진공을 이용한 2차원 공간 내 물성 연구 플랫폼 개발

빛과 물질 간 상호작용은 레이저, 발광다이오드(LED), 태양전지를 비롯한 인류 사회에 큰 공헌을 한 발명과 여러 중요한 물성 연구에 큰 핵심을 차지해 왔다. 탐구하거나 응용하려는 빛-물질 상호작용이 약한 경우, 기존 연구들은 대개 빛을 강하게 집중시켜 상호작용을 키우는 방향으로 진행되었다. 본 연구진은 광학적 무반사나 광학적 진공을 이용하는 반대 방향에 주목했다. 이를 통해 배경 잡음보다 수천 배 작은 자기광학 신호를 광학적 무반사로 독립적으로 측정하거나, 광학적 진공을 만들어 2차원 매질 엑시톤(전자-정공 결합체)이 빛으로 변환, 소멸하는 것을 막아 긴 수명을 가질 수 있게 했다. 본 방법론은 어떠한 2차원 매질이나 객체에도 적용할 수 있는 높은 범용성으로 큰 기대를 받고 있다.

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