머리카락 1000분의 1 두께 소재로 빛 12만 배 증폭 성공

△ 금속 기반 초박막 공진기의 작동 원리와 임계 결합 설계 지도. 

금속 표면의 반사 위상이 박막 내부에서 빛이 진행하며 얻는 위상을 상쇄해, 기존의 반파장 공진 조건(λ/2n)보다 훨씬 얇은 두께에서도 0차 공진을 형성할 수 있다(a, b). 소재의 굴절률과 흡수율에 따른 임계 결합 조건을 계산해 열린 공진기, 닫힌 공진기, 스페이서 보조 열린 공진기 중 최적의 구조를 선택할 수 있는 설계 지도를 제시했다(c).

고려대학교(총장서리 정순영) 물리학과 박규환·공수현 교수 연구팀이 아주 얇은 막으로 빛을 가둬서, 2차 조화파의 세기를 단층 소재 대비 약 12만 배 강하게 만드는 데 성공했다. 어려운 가공 없이 얇은 막을 층층이 쌓는 방식이어서 만들기도 쉽다.

* 2차 조화파: 빛이 물질과 상호작용할 때 발생하는 새로운 빛으로, 입사한 빛보다 주파수가 두 배 높고 파장은 절반인 빛.

연구팀이 만든 빛은 주파수가 2분의 1로 변환된 빛이다. 눈에 보이지 않는 근적외선(910 nm)을 파란색 가시광선(455 nm)으로 바꾸는 건데, 이런 기술은 앞으로 차세대 광학 기기나 양자 기술에 필요하다.

* 근적외선: 눈에 보이는 빨간색 빛보다 파장이 긴 적외선 중 가시광선에 가까운 영역의 빛. 사람의 눈에는 보이지 않음.

그런데 소재가 너무 얇으면 빛과 물질이 충분히 상호작용을 하지 못해 주파수 변환이 잘 일어나지 않는다. 그래서 빛을 가두는 공진기를 활용하지만, 제작 과정이 복잡하고 소재마다 맞는 구조를 따로 찾아야 했다.

* 공진기: 특정 파장의 빛이 내부에서 여러 번 반사되며 강해지도록 설계된 광학 구조.

연구팀은 금속 거울의 성질을 이용했다. 금속에 부딪힌 빛은 반사될 때 반사되는 빛의 위상이 변한다. 이 위상 변화 덕분에 훨씬 얇은 막에서도 빛을 가둘 수 있었다.

* 위상: 빛을 이루는 파동의 한 주기에서의 위치를 나타내는 물리량. 위상에 따라 빛이 서로 강화되거나 상쇄될 수 있음.

또한 입사광이 다시 반사되는 것을 최소화하는 '임계 결합' 조건을 구현했다. 이를 통해 더 많은 빛이 소재와 상호작용하도록 했다.

이번 연구의 가장 큰 성과는 소재가 빛을 굴절시키고 흡수하는 특성만으로 가장 적합한 공진기 구조를 결정할 수 있는 설계 기준을 제시했다는 점이다.

실험에서는 약 55nm 두께의 이황화몰리브덴 위에 반투명 금속 거울을 얹었다. 그 결과 빛의 반사가 완전히 억제되었으며, 2차 조화파의 세기가 단층 소재 대비 약 12만 배 강하게 나왔다.

* nm는 1m를 10억 개로 쪼갠 아주 작은 길이 단위

이 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 10월 24일 자에 실렸다.

* 논문명: Critically coupled zeroth-order resonance for ultrathin nonlinear photonics

* DOI: 10.1038/s41467-026-78579-6

* URL: https://www.nature.com/articles/s41467-026-78579-6

[첨부] 연구진 사진 

△ (왼쪽부터) 고려대 물리학과 박규환 교수 (교신저자), 공수현 교수(교신저자), 이순재 박사(공동 제1저자), 정해석 석박사통합과정(공동 제1저자)