하버드 엔지니어들은 실시간으로 빛을 비틀고 제어할 수 있는 칩을 만듭니다.

이 프로젝트는 발칸스키 물리학 및 응용 물리학 교수인 Eric Mazur 연구실의 대학원생 Fan Du가 주도했습니다. 연구팀은 통합된 MEMS(Micro-Electromechanical System)를 사용하여 실시간으로 조정할 수 있는 재구성 가능한 꼬인 이중층 광결정을 설계했습니다. 이러한 발전은 키랄 감지, 광통신 및 양자 광자 분야에서 새로운 기능을 가능하게 할 수 있습니다.

Mazur는 “키랄성은 제약에서 화학, 생물학, 물론 물리학과 포토닉스에 이르기까지 다양한 과학 분야에서 매우 중요합니다.”라고 말했습니다. “꼬인 광결정을 MEMS와 통합함으로써 우리는 물리학적 관점에서 강력할 뿐만 아니라 현대 광자 제조 방식과도 호환되는 플랫폼을 갖게 되었습니다.”

뒤틀린 광결정과 빛 조작

광결정은 빛의 동작 방식을 제어하도록 설계된 나노 규모의 물질입니다. 핀 끝에 들어갈 만큼 작은 이러한 구조는 이미 컴퓨팅, 감지 및 고속 데이터 전송 기술에 사용되고 있습니다.

Mazur의 그룹은 뒤틀린 이중층 그래핀에 대한 연구를 통해 주목을 받은 개념인 트위스트로닉스(twistronics)의 아이디어를 적용하여 이 분야를 확장했습니다. 두 개의 패턴화된 질화규소 층을 쌓고 서로에 대해 회전시킴으로써 연구진은 단일 층에는 존재하지 않는 새로운 광학 특성을 생성할 수 있습니다.

에 발표된 연구에서 광학팀은 이 뒤틀린 이중층 구조가 자연스럽게 왼쪽과 오른쪽 사이에 비대칭을 도입하여 가벼운 키랄성을 제어하는 ​​데 매우 효과적이라는 것을 보여줍니다. 키랄성은 왼손과 오른손처럼 거울상에 겹쳐질 수 없는 물체를 말합니다. 광학에서 이 개념은 나선형 패턴으로 이동할 수 있는 재료와 빛 자체 모두에 적용됩니다.

빛은 오른쪽 원형 편광으로 알려진 시계 방향 또는 왼쪽 원형 편광으로 알려진 반시계 방향으로 회전할 수 있습니다. 이러한 차이는 미묘하지만 많은 과학적 응용에서 중요한 역할을 합니다.

과학에서 키랄성이 중요한 이유

키랄성의 작은 차이는 큰 결과를 초래할 수 있습니다. 화학과 의학에서 서로 거울상인 분자는 신체에서 매우 다르게 행동할 수 있습니다. 잘 알려진 예로는 1950년대 약물인 탈리도마이드가 있습니다. 분자의 한 버전은 임산부의 입덧을 치료하는 데 도움이 되었지만 거울상은 심각한 선천적 결함을 유발했습니다.

과학자들은 종종 키랄 빛을 사용하여 그러한 분자를 연구합니다. 파장판과 선형 편광기를 포함한 기존 도구는 편광을 감지할 수 있지만 기능이 고정되어 있고 범위가 제한되어 있습니다.

MEMS 제어 기능을 갖춘 조정 가능한 광소자

새로운 Harvard 장치는 완전히 조정 가능하여 이러한 한계를 극복했습니다. 정적 구성요소에 의존하는 대신, 부품을 교체하지 않고도 다양한 유형의 키랄광에 대한 반응을 지속적으로 조정할 수 있습니다.

이러한 유연성은 이중층 설계에서 비롯됩니다. 두 개의 광결정 층이 서로 가까워지고 회전하면 구조가 기하학적으로 키랄이 되어 들어오는 빛의 방향을 감지할 수 있습니다. 층 사이의 강한 상호 작용은 “수직 입사” 하에서 왼쪽 및 오른쪽 원형 편광 또는 표면에 수직으로 닿는 편광에 대해 매우 다른 투과 동작을 초래합니다.

연구진은 비틀림 각도와 층 사이의 간격을 모두 정밀하게 제어하기 위해 MEMS 시스템을 사용함으로써 빛의 방향을 구별할 때 장치가 거의 완벽한 선택도로 조정될 수 있음을 보여주었습니다.

감지 및 통신 분야의 미래 응용 분야

이 연구는 또한 제어 가능한 광학 키랄성을 갖춘 뒤틀린 이중층 광결정을 생성하기 위한 보다 광범위한 설계 전략의 개요를 설명합니다. 현재 장치는 개념 증명 역할을 하지만 실제 응용 분야를 가리킵니다.

미래의 시스템은 다양한 파장에서 특정 분자를 감지하도록 장치를 조정하는 키랄 감지에 사용될 수 있습니다. 또한 광통신 시스템에서 동적 광 변조기 역할을 하여 칩에서 직접 빛을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

“MEMS 통합 광결정을 통한 고유 광학 키랄성의 동적 제어”라는 논문은 Haoning Tang, Yifan Liu, Mingjie Zhang, Beicheng Lou, Guangqi Gao, Xuyang Li, Alsyl Enriquez 및 Shanhui Fan이 공동 저술했습니다.