Journal Club 2013년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2013년도

발표 내용:

원자와 광자의 결합에 의한 양자 연구는 대부분 광 공진기를 이용한 Cavity QED에 의해 연구되어 왔다. 본 연구에서는 나노 크기의 도파관 주위에 원자 격자를 적절히 배치함으로써 원자 격자를 브래그밀러로 간주한 공진기를 도파관 위에 제작할 수 있으며, Cavity QED 및 양자 정보처리에 응용할 수 있음을 보여주었다. 이 기술을 더욱 응용하면 양자 정보 네트워크 구축의 기초가 될 것으로 기대된다. 발표에서는 특히 원리에 대해 자세히 설명할 예정이다.

발표 내용:

초고감도 센싱 기술이 있으면 기존에 관찰할 수 없었던 많은 현상을 관찰하고 연구할 수 있다. 감도는 기계진동 Q값과 큰 관계가 있으며, 본 연구에서는 광트랩한 실리카 미립자를 이용하여 매우 높은 Q값을 실현하였다. 그 장치를 이용하여 기존에는 관찰할 수 없었던 열진동의 비선형성을 관찰하였기 때문에 보고한다. 또한 Cooling 기술을 이용하면 더욱 고감도화를 실현할 수 있을 것으로 생각된다.

발표 내용:

기존에 사용되어 온 회절 격자에 의한 분광은 공간적으로 파장을 분해해야 하기 때문에 크기가 커진다는 문제가 있었다. 그러나 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 Disordered-system을 회절 격자 대신 사용할 수 있다면, 랜덤 산란을 통해 광로 길이를 확보할 수 있기 때문에 더 작은 분광기를 실현할 수 있다. 본 논문에서는 Disordered- photonic crystals를 이용하여, 작은 면적의 분광계를 칩상에 실현하였으므로 보고한다.

발표 내용:

포토닉 결정은 소형이면서도 높은 광 포획을 실현할 수 있다는 점에서 광회로에 대한 응용이 기대되고 있다. 최근 정보・통신량의 증가에 따라 집적화, 즉 자유자재로 3차원 광배선을 하는 것이 요구되고 있지만, 제작이 어렵고 설계 지침이 명확하지 않아 실현되지 못했다. 본 논문에서는 비스듬한 도파관을 이용하여 3차원 광배선을 처음으로 실현하였다.

발표 내용:

광기술의 난제인 회절 한계로 인해 광소자의 소형화는 파장 단위의 스케일로 제한되어 있다. 이 해결책으로 전자파와 전자의 결합을 이용한 표면 플라즈몬 폴라리톤을 들 수 있다. 최근 이 기술을 이용한 플라즈몬 레이저에 대한 연구가 발표되고 있지만, 10K 정도까지 냉각이 필요하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 CdS와 Ag를 MgF2로 분리한 구조의 공진기를 이용하여 상온 동작이 가능한 플라즈몬 레이저를 제작하였다. 이번 발표에서는 생물학을 전공하지 않은 사람에게도 가능한 한 알기 쉽게 설명하고자 한다.

발표 내용:

양자 이미터에 관한 연구에서는 이미터와 방사 모드의 결합을 강화하는 것이 중요하며, Q값이 높은 공진기나 모드 부피가 작은 플라즈몬을 이용하여 빛과 물질의 상호작용을 강화하는 것을 목표로 하고 있다. 본 연구에서는 이 두 가지 효과를 모두 이용할 수 있는 플라즈몬 공진기를 제작하여, 양자점으로부터의 자연방출광의 증강 현상과 광대역 양자 이미터로부터 파장 선택적으로 단일 광자 소스를 제작할 수 있음을 실험적으로 보여주었다. 당일에는 플라즈몬의 기초와 다른 응용연구에 대한 이야기를 포함하여 설명한다.

발표 내용:

세포주기 분석은 많은 세포생리 과정에서 매우 중요한 의미를 가지며, 최근 수십 년 동안 관심이 증가하고 있다. 그 중 Fucci 기술과 같이 실시간으로 시공간적으로 세포주기를 분석하는 기술이 주목받고 있지만, 아직 라벨이 없는 세포주기 분석이라는 것은 달성되지 않았다. 본 논문은 형광단백질을 사용하지 않고 라벨프리로 세포주기를 분석한 최초의 연구로 그 학술적 영향력이 크다. 이번 발표에서는 생물학을 전공하지 않은 사람에게도 최대한 알기 쉽게 설명하는 것을 목표로 한다.

발표 내용:

2005년 인텔이 발표한 Si 도파관을 이용한 라만레이저를 비롯하여 다양한 라만레이저의 연구가 진행되어 왔으나, 임계값과 소자 크기가 문제가 되어 현실적인 소자 개발이 절망적이었으나, 포토닉 크리스탈을 이용하여 소자 크기의 소형화와 함께 임계값의 감소를 실현할 수 있었다. 와 함께 임계값의 저하도 실현할 수 있었다.

발표 내용:

양자키 전달은 이미 실용화가 진행되고 있는 기술이다. 그러나 기존 BB84 프로토콜의 도청에 대한 취약성과 APD 기반의 단일 광자 검출기의 낮은 성능으로 인해 전송 거리와 비밀키 생성 속도에 한계가 있었다. 이에 본 논문에서는 차동 위상변환 양자키 전달 프로토콜과 초전도체 단일광자 검출기를 이용하여 기존 대비 2배 이상의 전송거리를 구현하였음을 보고한다. 당일에는 차동 위상 시프트 프로토콜과 초전도 단일 광자 검출기를 중심으로 장거리화가 가능해진 이유에 대해 중점적으로 설명할 예정이다.

발표 내용:

광공진기에서 공진기의 안정성과 감도는 양단 거울의 정밀도에 따라 달라진다. 광원자시계나 중력파 관측에 사용하는데 있어서 열잡음의 영향이 커지면서 기존의 거울에 비해 안정성이 높은 거울 코팅이 요구되고 있다. 이에 본 그룹은 낮은 기계적 손실과 높은 광학 품질을 가진 새로운 단결정 다층막을 제작하였다. Fabry-Perot 공진기를 형성했을 때, 150,000의 피네스를 관찰하였다. 또한 상온에서 기존 거울에 비해 열잡음을 1/10로 억제하는 것을 관찰했다. 이를 통해 보다 고감도 공진기 및 보다 안정적인 레이저의 개발이 가능할 것으로 보인다. 당일에는 제작한 미러의 검증 실험 결과를 중심으로 설명한다.

발표 내용:

나노미터 단위의 온도 변화를 고감도로 감지하는 것은 현대 과학에서 큰 과제가 되고 있다. 넓은 온도 범위에 걸쳐 0.5℃ 이하의 온도 분해능을 가지고, 더 나아가 생체 내에 내장할 수 있는 온도계가 있다면, 특히 생물학 분야(온도에 의한 유전자 발현 조절, 종양 대사 조절 등)에서 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 다이아몬드의 질소 공극 색 중심(Nitorogen Vacancy colour centre)이 가지고 있는 전자 스핀의 코히어런트 조작을 이용한 새로운 나노미터 스케일에서의 온도 측정 방법을 제안한다. 실험 결과까지 포함한다. 당일에는 실험 방법, 실험 결과를 중심으로 설명한다.

발표 내용:

Muneaki Hase, Masayuki Katsuragawa, Anca Monia Constantinescu & Hrvoje Petek 발표내용: 고체 물질의 광학 비선형성은 고주파수 대역의 정보처리에서 광학적인 기능과 전자적인 기능을 함께 사용할 수 있기 때문에 매우 흥미롭다. 실리콘의 3차 비선형 광학 과정은 기가헤르츠 대역의 광 신호 처리에 사용되어 왔지만, 테라헤르츠 대역에서의 광 변조는 연구된 바 없다. 본 연구에서는 실리콘에 고강도 펨토초 펄스를 조사하여 대진폭의 코히어런트 수직 광학 포논을 여기시키고, 실리콘의 광굴절률을 초고속 변조하여 수직 광학 포논의 기본 주파수(15.6THz) 간격으로 100THz를 초과하는 대역의 주파수 콤을 발생시키는데 성공하였다.

발표 내용:

다광자 흡수 기술은 바이오 이미징이나 3차원 광기록 등에 응용될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 5광자 흡수에 의한 새로운 형광체로부터의 유도 방출을 처음으로 실험적으로 관찰한 것을 보고한다. 저차 비선형 흡수와 비교할 때, 5광자 흡수 과정은 강한 공간적 포획을 가져와 매우 높은 이미징 대비를 실현할 수 있다. 또한, 근적외선 레이저 여기 하에서 2~4광자 흡수에 의한 유도 방출도 실현되어, 생체 시료로부터의 자기 형광이 없고, 깊은 침투 깊이, 높은 감도와 분해능 등의 특징을 가진 유망한 다광자 이미징 프로브가 될 수 있을 것이다.

발표 내용:

빛의 회절 한계를 넘어서는 집광에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이는 근접장광을 이용하여 해결할 수 있는 것으로 알려져 있다. 최근 근접장광의 집광 제어에는 작은 개구부에 의한 것, 플라즈모닉 결정에 의한 것, 메타물질에 의한 것 등 다양한 기술이 있지만, 모두 미세하고 정밀한 구조 제작이 필요하고 집광의 정도는 구조에 의존한다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 미세한 구조를 필요로 하지 않고 임의로 집광 정도를 제어할 수 있는 방법을 발견하여 보고한다.

발표 내용:

광자가 가진 스핀에 의한 광스핀홀 효과는 이전부터 관측되어 왔지만, 스핀의 방향에 대한 변위량이 작아 관측이 쉽지 않았다. 본 논문은 유전체 표면에 금 안테나를 배열한 메타물질을 이용하여 변위량을 크게 가져가는데 성공하여 관측을 용이하게 하였다.

발표 내용:

메타물질로 구현되는 음의 굴절률 구조(Negative-index metamaterial: NIM)는 완벽한 렌즈(Perfect Lens) 등에 적용이 기대된다. 완벽한 렌즈를 구현하기 위해서는 3차원의 NIM이 필요하지만, 기존의 NIM은 손실이 커서 충분한 광학 특성을 얻을 수 없었다. 이에 본 논문에서는 fishnet형 구조를 이용하여 손실을 줄인 3차원 NIM을 실험적으로 실현하였기에 보고한다. 당일에는 NIM 연구의 역사와 그 원리에 대해 중점적으로 설명할 예정이다.

발표 내용:

나노포토닉스에 의한 전기신호에서 광신호로의 변환이 실현되면, 전자 및 포토닉스의 집적화가 가능해진다. 본 연구에서는 L3 공진기와 그래핀을 조합하여 공진기의 공진 파장을 최대 2 nm, 공진기 반사율을 최대 400 % 변화시키는데 성공하였다. 또한, 이론적 검토를 통해 이 소자는 수십 fJ 및 250 GHz에서 동작할 가능성이 있음을 알 수 있었다. 이 그래핀 공진기 소자는 소형이면서도 저전력으로 고속의 전기-광 변환을 할 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

광컴을 발생시키는 방법 중 하나로 모드 잠금 레이저가 있지만, 양자 캐스케이드 레이저에서 모드 잠금 조작을 하는 것은 어렵다. 왜냐하면, 이득 회복 시간이 공진기 일주 광펄스 전파 시간보다 훨씬 짧기 때문에 다른 발진이 발생하기 때문이다. 본 연구에서는 군속도 분산이 평탄해지도록 구조를 설계한 양자 캐스케이드 레이저를 이용하여 모드 록킹이 아닌 FWM을 이용하는 방법으로 광컴을 발생시켰다. 이는 중적외선 영역에서 광대역, 콤팩트, 전류 주입 조작으로 구동하는 광컴 광원으로 기대되고 있다.

발표 내용:

회절 한계(250 nm)에서의 프린팅 연구는 주로 잉크젯-레이저젯 방식과 이번에 사용하는 표면 플라즈몬의 두 가지 접근법이 있다. 잉크젯 방식은 해상도는 우수하지만, 흑백으로만 표현할 수 있다. 반면, 표면 플라즈몬을 이용한 나노 홀 필터는 주기적인 구조가 필요하기 때문에 해상도가 마이크로 스케일로 떨어진다. 이번 보고에서는 나노구조 아래에 반사막을 넣음으로써 주기적 의존성이 없는 구조로 컬러링에 성공하여, 표면 플라즈몬을 이용하여 회절 한계 해상도를 얻을 수 있었다. 또한, 컬러링은 나노구조의 형상을 변화시킴으로써 표면 플라즈몬과 파노 공명의 상호작용을 제어하여 달성하였다. 발표에서는 CLEO-PR & OECC/PS에서의 Plasmonics의 연구보고도 함께 하면서 폭넓게 설명한다.

발표 내용:

계단형 굴절률 분포를 갖는 다층막은 광대역에서 반사 방지 특성을 보인다는 것이 수학적으로 증명되었다. 그러나 공기의 굴절률에 매우 가까운 저굴절률 재료가 존재하지 않기 때문에 지금까지 광대역 반사방지막은 실현되지 않았다. 본 연구에서는 비스듬히 증착하여 TiO2와 SiO2 박막을 제작하고, 그 굴절률을 조정하여 광대역에서 프레넬 반사를 제거하였다. 이 때 SiO2 막에서는 최소 n=1.05의 굴절률이 달성되었다.

발표 내용:

Mitsuru Saito, Kouji Taniguchi, and Taka-hisa Arima 발표내용 : 최근 다철성 물질이 발견되었음에도 불구하고, 그 물질이 나타내는 방향 이색성은 0.1%가 최대였다. 본 연구에서는 멀티 페로익 물질이 되기 위한 조건인 시간적 대상성과 공간적 대칭성의 깨짐 정도가 비교적 작은 물질을 이용하여 방향 이색성이 100%라는 매우 큰 값을 얻는데 성공했다. 이는 전기쌍극자 전이와 자기쌍극자 전이의 결합이 커진 것에 기인한다. 발표에서는 기본적인 내용인 전기 자기 효과부터 꼼꼼하게 설명한다.

발표 내용:

흡수에 의한 이미징은 적혈구의 발견에서 시작하여, 현대에 이르러서는 항성 내 먼지 구름과 보스 아인슈타인 응축의 관측에 이르기까지 매우 다양하게 응용되고 있다. 본 논문에서는 진공 중에 고립된 단일 원자를 RF Paul trap으로 가두어 위상 프레넬 렌즈를 이용하여 파장 단위의 해상도로 이미징을 하였다. 흡수에 의한 이미징으로는 세계 최초이다. 원자의 광학적인 특성은 잘 알려져 있기 때문에 원자는 흡수 이미징의 한계를 알기 위한 이상적인 시료이다. 이 결과는 가시광선 및 X선 영역에서 빛에 민감한 시료의 이미징에 새로운 방법을 제공할 것이다.

발표 내용:

양자 정보처리를 하기 위해서는 각각의 양자적인 시스템을 연결하는 양자 네트워크를 형성하는 것이 중요하다. 그러나 네트워크에서 양자적인 노드를 형성하는 것이 주요한 과제였다. 본 연구에서는 광공진기 내에 루비듐 원자를 보충한 계에 의해 노드를 형성하고, 격리된 양자계 간의 원자 양자 상태의 통신 및 얽힘 형성에 성공하였다. 본 Journal Club에서는 분리된 양자적 시스템에서의 얽힘의 실증이라는 점에 중점을 두어 발표한다.

발표 내용:

유전체 표면에 금 안테나를 배열하여 표면에서 위상을 변화시킴으로써 입사된 평면파를 임의의 방향으로 투과 및 반사시킬 수 있다. 단순한 다이폴로는 360°의 위상 변화 폭을 만들 수 없기 때문에 "V-안테나"를 제안하고, 변의 길이와 변 사이의 각도를 최적화하여 산란 강도를 유지하면서 폭넓은 위상 변화를 구현했다. 또한, 중심을 중심으로 점 대칭으로 위상 변화를 줌으로써 라게르 가우스 빔의 발생도 확인할 수 있었다.

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타나베 포토닉 구조 연구실에서 개최하는 공개 논문 윤강입니다. 대학원생 이상의 학생이, 광과학, 재료, 바이오사이언스 등, 빛과 그 주변기술에 관련하는 논문을 조사해, 알기 쉽게 해설합니다.

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