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- 빛 나선은 피보나치 수열과 황금비를 따른다.
- 위상적으로 복잡한 빛의 상태는 양자 광학에서 더욱 흥미로운 현상을 만들어낼 수 있다
- 공간적으로 엇갈린 소용돌이 빔은 깊이 감지, 계측학, 레이저 플라즈마 물리학, 야외 통신에 사용될 수 있다.

새로운 빛 나선은 황금 비율을 따른다.
물리학자들은 대수 나선 패턴을 가진 "코르크 스크류" 빛을 생성했다.

빛의 새로운 상태:
물리학자들은 최초로 대수 나선과 유사한 빛줄기를 만들어냈다. 빛 나선은 황금비를 따른다. 연구팀은 "Science Advances"에 게재한 논문에서 이러한 "회전" 빛은 전자기파에서 이전에 관찰된 적이 없다고 밝혔다. 이 새로운 나선형 빛은 궤도 각운동량의 목표 조작을 통해 가능해졌다. 결과적으로, 빛줄기가 고정된 수학적 규칙에 따라 이동함에 따라 광파(lightwave)의 회전은 좁아지거나 넓어진다. 

▲ 물리학자들은 황금비와 피보나치 수열의 법칙을 따르는 나선형으로 감긴 빛을 만들어냈다. 마치 앵무조개 껍질과 같다. © Capasso Lab / Harvard SEAS

빛이라고 해서 모두 같은 빛이 아니다. 광자의 파장, 편광, 위상 또는 스핀에 따라 빛줄기는 매우 다양한 특성과 응용 분야를 가질 수 있다. 물리학자들은 나선형 모양의 빛줄기를 만들어내기도 했다. 이런 경우, 궤도 각운동량(OAM:Orbital Angular Momentum)은 광파(lightwave)가 자신의 축을 중심으로 회전하도록 보장한다. 2019년에는 궤도 각운동량이 변화하는 "나사형" 빛을 생성하는 것도 가능해졌다. 이렇게 하면 빔의 나선형 코일 밀도가 변경된다.

빛의 나선은 피보나치 수열과 황금비를 따른다.

이제 회전하는 빛의 또 다른 변형이 나타났다. 아흐메드 도라흐(Ahmed Dorrah)가 이끄는 하버드 대학의 물리학자들은 처음으로 앵무조개 껍질과 비슷한 좁아지는 나선형의 광선을 만들어냈다. 이 나선형 패턴은 800년 전 피사의 수학자 레오나르도가 설명한 피보나치라는 특정 수학적 원리를 따른다. 그의 이름을 딴 피보나치 수열을 기하학으로 옮기면 황금비율에 따른 특징적인 나선형이 나타난다.

연구자들은 "이 회전광의 공간 구조는 대수 나선 모양을 따른다. 이 모양은 달팽이 껍질과 은하의 패턴에도 나타난다"고 설명했다. 그들은 레이저, 필터, 나노구조 메타물질로 만든 금속 렌즈를 사용하여 이 "피보나치 빛"을 생성했다. 이 설정을 사용해 팀은 궤도 각운동량이 선형과 유사하도록 빛을 조작할 수 있었다.

▲ 빛의 회전체. (A) 위상 마스크는 평면파를 와류 빔으로 변환하는데, 이 빔의 OAM은 전파 방향을 따라 2차 함수로 증가(또는 감소)할 수 있다. (B) ℓ로 표시되는 OAM은 임의의 z-종속 프로파일을 따를 수 있으며, 이는 선형, 2차 또는 3차 함수일 수 있다. OAM의 선형 및 2차 함수적 진화는 각각 공간 자기 토크(위)와 빛의 회전체(아래)를 발생시킨다. (출처:관련논문 Rotatum of light / Science Advances 11 April 2025)

“로타텀(Rotatum)”은 빛의 새로운 상태

그 결과 나선형으로 감긴 빛줄기가 만들어지는데, 이 빛줄기의 감김 정도는 광선의 각 지점마다 다르다. 물리학자들은 실험을 통해 먼저 넓어지고 다시 좁아지는 나선형을 가진 빛줄기를 만들어내기도 했다. 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지였다. 물리학자들은 "우리는 광학 회전체를 운반하는 소용돌이 빔 종류를 시연하고 있다"고 설명했다. 고전 역학에서 "로타텀"은 물체의 토크가 시간에 따라 변하는 것을 설명한다.
*광학 로타텀(optical rotatum): 광학 와류 빔이 광학 경로를 따라 궤도 각운동량에 2차 첩(chirp)을 일으키는 빛의 거동이다

도라와 그의 동료들은 "이러한 특성은 전자기 복사에서 이전에 관찰된 적이 없다"며 "이렇게 새로운 구조화된 빛 파동은 연구와 기술에 완전히 새로운 가능성을 열어준다"고 말했다. 이러한 위상적으로 복잡한 빛의 상태는 고전 광학과 양자 광학에서 더욱 흥미로운 현상을 만들어낼 수 있다.

▲ 공간 자기 토크를 갖는 와류 빔 생성. (A) 실험 설정: 확장되고 평행화된 레이저 빔을 원하는 홀로그램을 갖는 반사 위상 전용 SLM에 입사시킨다. 반사된 빔은 필터링되어 4-f 렌즈 시스템을 사용하여 CCD에 이미징된다. CCD는 서로 다른 z 평면에서 빔의 횡단면 프로파일을 포착하기 위해 이동 스테이지에 장착된다. (B) OAM이 광학 경로를 따라 선형적으로 증가하는 와류 빔의 세기 및 위상에 대한 시뮬레이션된 2D 프로파일. 빨간색과 노란색 마커는 양수 및 음수 방향의 위상 특이점을 나타낸다. 스케일 바는 100μm이다. (C) (B)에서 빔의 측정된 2D 세기 및 재구성된 위상 프로파일. (D) 초기 빔 프로파일(z = 1cm)은 수평선의 어둡고 분기된 형태를 보인다. 삽입 그림은 이 전위선과 관련된 하부 위상 특이점 체인을 나타낸다. (E) 전파 거리의 함수로서 OAM(유효 전하, ℓeff)의 측정 및 시뮬레이션된 진화. (출처:관련논문 Rotatum of light / Science Advances 11 April 2025)

잠재적 유용성

물리학자들은 맞춤형 레이저 나선형은 매우 실용적인 용도로 사용될 수도 있다고 설명한다. 도라와 그의 동료들은 "이러한 공간적으로 엇갈린 소용돌이 빔은 깊이 감지, 계측학, 레이저 플라즈마 물리학, 야외 통신에 사용될 수 있다"고 기술했다. 새로운 나선형 빛은 나노 물체의 미세 조작에도 유용할 수 있다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adr9092)
출처: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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