[김태환 교수 연구실] 전하 밀도파에서 나선성 적층 배열의 원편광 이색성 발견

Caption: 1차원 전하 밀도파의 (a) 왼-, (b) 오른-나선성 적층 배열 및 전자 밴드 구조.               

(c) (왼/오른쪽) 왼/오른-나선성 적층 배열의 2차원 브릴루앙 영역에서 원편광 이색성 맵.  

 [김태환 교수 연구실] 전하 밀도파에서 나선성 적층 배열의 원편광 이색성 발견

딱정벌레의 반짝이는 겉껍질은 그 종류에 따라 특정 방향으로 편광된 빛만 반사하는 특이한 빛 특성을 보인다. 따라서, 왼-편광과 오른-편광의 반사 혹은 흡수가 다른 원편광 이색성(circular dichroism)을 갖는다. 이런 현상은 딱정벌레의 겉껍질을 이루는 층의 나노 구조의 나선성(chirality) 때문이다. 이 구조는 딱정벌레의 종류마다 달라 서로 다른 종끼리 서로를 구별하는 역할을 한다. 이처럼 자연계에서는 구조의 나선성이 원편광 이색성과 같은 광학적 특이성으로 발현되는 경우가 흔하다. 

하지만, 거울 대칭성이 깨져 자연스럽게 나선성을 갖는 전하 밀도파에서는 이와 같은 광학적 특이성을 잘 나타나지 않는다. 일반적으로 서로 반대의 나선성이 비슷한 확률로 존재하여 거시적으로 그 효과가 상쇄되기 때문이다. 본 연구에서는 원편광 이색성이 보고되지 않은 준1차원 전하 밀도파가 수직 방향으로 나란히 배열이 될 때, 거울 대칭이 깨진 나선성 적층 배열을 갖을 수 있어, 이로 인해 원편광 이색성이 상쇄되지 않고 발현될 수 있음을 처음으로 밝혔다.

본 연구에서 밝힌 전하 밀도파의 적층 배열과 원편광 이색성의 관계로부터, 원편광을 비춘 상태로 전하 밀도파로의 상전이를 유도하면 원하는 전하 밀도파 배열을 만들 수 있을 것으로 기대한다. 더 나아가 편광된 빛을 이용해서 전하 밀도파에 존재하는 특정 위상 솔리톤을 대량으로 생성할 수 있을 것으로 예측되어, 솔리톤 소자의 응용을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.

이번 연구성과는 미국 물리 학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호(1월27일자)에 게재됐다.