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- 일반적인 메타 물질과 달리 나노 기둥을 사용하지 않고 물질에 있는 작고 깊은 구멍 사용
- 작은 구멍들은 빛을 특별한 방식으로 굴절시킨다.
- 구멍을 비선형 광학 재료 또는 액정으로 채워 빛을 더욱 강하게, 표적화된 방식으로 조작
- 대형 무채색 렌즈를 생산하는 데 사용할 수 있다

나노 홀로 만든 메타 렌즈
기둥 대신 구멍으로 만들어진 나노구조는 빛 조작의 새로운 가능성을 열어준다.

광 조작자로서의 구멍:
초평면 렌즈와 기타 빛의 광학적 조작을 가능하게 하는 새로운 유형의 메타물질이 개발됐다. 일반적인 메타 물질과 달리 나노 기둥을 사용하지 않고 물질에 있는 작고 깊은 구멍을 사용한다. 작은 구멍들은 빛을 특별한 방식으로 굴절시킨다. 전문 잡지 "Nano Letters"의 팀에 따르면 메타 물질은 매우 평평하고 큰 렌즈뿐만 아니라 새로운 광학 응용 분야도 가능하게 한다. 

▲ 작지만 깊은 구멍의 도움으로 새로운 메타 렌즈는 입사광을 조작한다. © Capasso Lab / 하버드 SEAS

이 메타물질들은 코르크 오프너 모양이나 정재파(standing wave)로 만들기 위해, 빛을 무한히 빠르게 만들어 홀로그램과 홀로그램 비디오를 만들거나 위장이 된다. 메타 물질은 거의 모든 방식으로 빛을 조작할 수 있다. 이 능력은 실리콘이나 금속 산화물로 만들어진 작은 기둥이 입사 광파를 특정한 방식으로 끊는 나노구조에 기반을 두고 있다. 이러한 나노구조를 사용해 빛의 편광 또는 진폭을 변경할 수도 있다.

▲ 코르크 오프너 모양의 빛. 새로운 레이저는 자유롭게 조정 가능한 궤도 각운동량으로 회전된 빛을 생성한다. © 위츠 대학교

비율이 중요하다

다니엘 임(Daniel Lim) 주변의 Harvard University 연구원들이 현재 시연하고 있는 것처럼 나노기둥 없이도 할 수 있다. 크고 초평탄 렌즈를 위한 메타물질을 찾기 위해 그들은 직경을 늘리지 않고도 나노구조를 더 크게 만드는 방법을 찾았다.

▲ 그림 1. 구멍이 많은 금속의 디자인. (a) 독립 기둥 메타표면과 구멍이 있는 메타표면의 비교. 홀리 메타 원자는 기둥 메타 원자에 비해 더 안정적이고 견고하다. (b) 구멍이 뚫린 금속의 예술적 표현. λ = 1.55μm인 단색광은 얇은 결정질 Si 막에 입사되며, 1250만 개 이상의 비아-나노홀(via-nanohole)이 에칭된다. 입사 광학 파면은 구멍 구조에 의해 수정되고 회절 제한 초점을 생성한다. (c) 역설계 최적화로 얻은 금속의 반경 좌표에 대한 유효 지수 프로파일. 설계 파장에서 실리콘의 굴절률은 검은 점선으로 표시 (d) 최적화된 구조의 전송된 위상(검은색 실선) 및 진폭(빨간색 실선) 프로파일의 플롯. 쌍곡선 위상 프로파일(파란색 점선)은 비교를 위해 겹쳐진다. 전송된 진폭은 입사 평면파의 진폭으로 정규화됐다. (출처: 관련논문 Fig 1. A High Aspect Ratio Inverse-Designed Holey Metalens)

"고급 메타구조는 주어진 모양의 스펙트럼에 의해 영향을 받을 수 있는 광학 특성의 범위를 확장한다"고 Lim과 그의 동료들은 설명했다.
문제는 기존의 나노기둥을 무한정 늘릴 수 없다는 것이다. 그렇지 않으면 생산 중에 기울어지거나 부러지거나 사용 중에 너무 쉽게 손상된다. "따라서 메타 표면의 최대 종횡비는 이산화티타늄 컬럼의 경우 15:1이고 실리콘의 경우 20:1이다"고 팀이 설명했다.

기둥 대신 구멍

일반적인 나노구조를 부정적으로 생각한다면, 말하자면 Lim과 그의 동료들은 나노구조 대신 구멍으로 만들어진 메타 표면을 개발했다. 이를 위해 약 5μm(마이크로미터) 두께의 실리콘 디스크 표면에 직경 170~310μm의 구멍을 뚫었다. 구멍은 너비보다 최대 30배 더 깊었다. Lim은 "이 비율로 기둥을 만들면 기둥이 뒤집힐 것"이라며 "이러한 종횡비의 구멍이 메타 광학에 사용된 것은 처음"이라고 말했다.

전체적으로 2mm 실리콘 웨이퍼는 결국 약 1,200만 개의 나노 홀(Nano hole)을 포함했다. 물리적 계산의 도움으로 연구원들은 메타 표면이 렌즈 역할을 하도록 구멍의 간격과 너비를 조정했다. 즉, 입사 적외선을 거의 산란 없이 효과적으로 묶을 수 있다. 나노 홀은 빛의 방향뿐만 아니라 위상과 진폭도 제어한다.

▲ 메타 렌즈에 있는 나노 홀의 주사 전자 현미경 이미지. © Capasso Lab / Harvard SEAS

메타 렌즈 응용

과학자들에 따르면 "구멍이 있는" 메타물질은 초박형 맞춤형 렌즈 및 기타 광학 물질을 개발할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어준다. 공동 저자인 펟리코 카파쏘(Federico Capasso)는 "예를 들어 우리의 접근 방식은 동일한 지점에 서로 다른 색상의 빛을 집중시키는 대형 무채색 렌즈를 생산하는 데 사용할 수 있다"고 설명했다. 이것은 크지만 초박형 광대역 렌즈를 가능하게 한다. 이전의 나노구조는 이를 위해 충분히 안정적이지 않았다.

"천공된 플랫폼은 기계적 견고성을 희생하지 않으면서 광학 나노구조에 대해 더 큰 종횡비를 허용한다"고 Lim은 말했다. 또한 구멍을 비선형 광학 재료 또는 액정으로 채워 빛을 더욱 강하게 만들고 보다 표적화된 방식으로 조작한다.
(Nano Letters, 2021; doi: 10.1021 / acs.nanolett.1c02612)
출처: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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