[신희득교수 연구실]Optical Energy-Difference Conservation in a Synthetic Anti-PT-Symmetric System

Caption: 광섬유 기반 시공간-교환 반대칭 개략도

광섬유를 따라 전파하는 광세기의 변화(빨강선과 파랑선)와 특이점(exceptional point) 주위의 위상변위를 표현했다.

포스텍(포항공대) 신희득 교수 연구팀이 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다.

물리학과 신희득 교수 연구팀은 광섬유를 이용해 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구성, 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 그동안 나노 공정의 어려움으로 접근이 힘들었던 비-허미션 광학연구를 손쉽게 할 수 있는 방식을 제안했다고 평가된다.

최근 태동한 비-허미션 물리학 영역은 손실과 증폭에 ‘불완전한 계와 수정’ 외 새로운 역할을 부여해 기본 작동원리를 확장하고 허미션 헤밀토니안 물리계와 다른 물리적 현상을 보여줌으로서 차세대 신호 및 에너지 제어기술로 주목을 받고 있다. 비-허미션 물리계 가운데 시공간-교환 반대칭계는 균형 잡힌 손실과 증폭으로 구성되고, 이 계에 에너지가 손실과 증폭을 겪으며 진행할 때 위상변위와 에너지 차이 보존 등 흥미로운 물리현상을 볼 수 있다. 하지만 광학 영역에서 완벽히 균형 잡힌 손실과 증폭은 현실적으로 제작하기 어려워 에너지 차이 보존과 결맞음 광세기 진동과 같은 현상은 관측된 바 없다. 연구팀은 광통신 분야에서 널리 사용되는 광섬유를 이용해 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구축했다. 그 결과 연구팀은 제안한 방법을 이용해 시공간-교환 반대칭 현상 중 위상변위 뿐 아니라 긴 광섬유 덕에 광 세기의 결맞음 진동을 광학 영역에서 최초로 관측했다. 또한, 광섬유의 저손실과 비선형 현상을 이용해 비-허미션 계에서 중요한 보존량인 에너지-차이 보존 물리계를 광학 영역에서 처음으로 관측했다. 이번 연구를 주도한 신희득 교수는 “비-허미션 물리현상 연구에 대한 효율적인 실험 플랫폼을 제공했다”며 “더 높은 차원의 비-허미션 연구에 대한 기여와 소재 개발 및 양자정보학 등 학제 간 연구에도 중요한 발판이 될 것”이라 의미를 밝혔다.