《우리는 중요과학기술부문에 힘을 집중하면서 레이자를 비롯한 새로운 과학기술분야를 발전시키며 새로 건설하는 공장들과 기술개건대상들에 최신과학기술을 적극 받아들이도록 하여야 합니다. 이와 함께 수학, 물리학, 생물학을 비롯한 기초과학에 대한 연구를 강화하여 그것이 인민경제와 과학기술발전에 적극 이바지하도록 하여야 합니다.》 (
나노령역에서 동작하는 광학격리기들은 나노광학, 량자광학, 빛전자학분야에 널리 쓰이는것으로 하여 최근에 이러한 격리기들을 개발하기 위한 연구사업이 본격적으로 진행되고있다. 외부자기마당에 의하여 표면플라즈몬폴라리톤(SPP)을 능동적으로 조종하기 위하여 자기플라즈몬학이라는 학문분야가 생겨나고 이에 의해 준파장구조에서 자기마당과 플라즈몬의 성질을 결합시키는 방법으로 나노구조에서 동작하는 장치들을 실현하고있다. 그런것으로 하여 이 분야에 대한 연구사업이 광범히 진행되여 많은 리론적 및 실험적인 결과들과 론문들이 발표되였다.
자기플라즈몬학분야에서 이룩된 연구성과들은 여러가지 응용실례들에 적용될수 있으며 특히 광학격리기들의 개발에서 중요한 의의를 가지는 빛의 한방향전파를 실현하는데서도 중요한 의의를 가진다. SPP의 한방향전파를 실현하는것은 전기소자들의 광학적상사체개발과 집적화된 나노광학회로, 나노광학 및 빛전자학분야의 장치제작에서 대단히 중요한 문제로 나선다.
많은 격리기들의 동작원리를 놓고보면 대부분 여러가지의 서로 다른 매질에서 나타나는 자기광학적인 효과들에 기초하고있다. 하지만 전통적인 종래의 격리기들에서 빛의 한방향전파되는 정도는 일반적으로 크지 않은 부족점을 가지고있다. 실지로 이러한 부족점들을 극복하기 위해서는 대단히 강한 외부자기마당이 요구되며 이것은 현실적인 응용 및 제작에서 제약을 받는다. 또한 격리기들에서는 동작주파수의 대역폭과 동작주파수의 조종가능성도 중요한 항목으로 제기된다. 이로부터 SPP에 그라펜을 결합하는 방법으로 넓은 주파수범위에서 격리기의 동작주파수를 변화시키기 위한 연구사업들이 진행되여왔다.
우리는 밀집형으로 된 그라펜에 기초한 자기플라즈몬구조를 제안하였다. 그라펜에서는 전기적인 방법으로 전기전도도를 쉽게 조종할수 있으며 빛이 강하게 국부화되는것으로 하여 제안한 구조를 리용하면 결과적으로 넓은 주파수범위내에서 빛의 한방향전파를 실현할수 있다.
최근에 우리는 밀집형구조로 된 자기플라즈몬공진기에 대한 연구사업을 진행하였으며 이에 기초하여 이러한 공진기들과 류사한 구조에서 그라펜을 리용하는 방법으로 빛의 한방향전파가능성을 높일수 있다는것을 예측할수 있다. 이러한 구조를 도파관고리형공진기(WRR)라고 하며 구조를 보면 자기광학적인 원기둥형공진기를 감고있는 그라펜과 여기에 한방향으로 결합된 그라펜평면으로 되여있다. SPP에 의한 빛의 국부화는 그라펜이 포함되여있는 밀집형구조에서 생겨나는 강한 빛–재료호상작용결과에 실현된다. 그라펜을 포함한 도파관구조에서는 손실이 작고 그로 하여 그라펜을 리용하지 않을 때보다 우량도값이 커지게 되는것으로 하여 결국은 빛과 재료와의 호상작용도 커지게 된다. 그라펜에서는 한편 전기적인 방법으로 전기전도도를 조종할수 있는것으로 하여 넓은 주파수범위내에서 빛의 한방향전파를 조종할수 있다.
그림 1 에서는 그라펜을 도입한 WRR에서 외부자기마당에 의한 빛의 투과도변화를 보여준다. 그림 1과 같은 구조에서 공진기의 공진주파수는 그라펜을 감고있는 공진기의 반경에 관계되고 실례로 공진기와 그에 한방향으로 결합된 그라펜평면사이거리에는 무관계하다. 그림 1에서 B는 계에 작용하는 외부자기마당을 나타내고 μc1와 μc2은 그라펜의 편의전압들이다.
그림 2. ㄱ)와 ㄴ)은 외부자기마당의 세기가 2T인 조건에서 서로 반대방향으로 전파하는 SPP의 자기마당세기의 근접마당에 대한 분포를 보여주었다. 그림에서 볼수 있는것처럼 앞방향전파에 대하여서는 투과가 거의 없고 반대방향전파에 대하여서는 일정하게 빛이 투과된다.
이처럼 자기마당에 의하여 조종되는 그라펜을 리용한 밀집화된 도파관고리형을 가진 공진기구조는 넓은 주파수의 범위내에서 빛의 한방향전파를 실현하기 위한 중요한 구조이다.
우리의 연구결과는 잡지《Physical Review B》[100, 041405(R)에 《Magnetoplasmonic isolators based on graphene waveguidering resonators》 (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.041405) 의 제목으로 출판되였다.
