경기대, 전자의 위상 정보 빛으로 바꿔 읽는 기술 개발

민선홍 경기대 겸임교수(왼쪽 사진), 박상윤 경기대 전자공학부 교수. [사진 연구팀]

경기대학교 전자공학부 박상윤 교수 연구팀이 전자의 나선형 위상 정보를 빛의 회전·편광 특성으로 변환해 측정하는 기술을 개발했다. 연구팀은 이 같은 전자-전자기장 위상전달 인터페이스를 세계 처음으로 구현했다고 밝혔다.

연구에는 민선홍 경기대 겸임교수가 제1저자, 박 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 광학 분야 국제학술지『Opto-Electronic Advances』 온라인판에 게재됐다. 해당 학술지의 임팩트 팩터는 22.4로, 연구팀에 따르면 JCR 광학 분야 상위 3% 안에 든다.

연구팀은 진행 방향을 따라 위상이 나선형으로 꼬인 ‘소용돌이 전자’에 주목했다. 소용돌이 전자는 많은 정보를 담을 수 있지만 입자가 매우 작아 위상 정보를 손상 없이 측정하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 전자가 특수 금속 구조를 통과할 때 빛을 방출하는 체렌코프 방사를 활용했다. 고리 형태의 소용돌이 전자빔을 구조에 통과시킨 뒤 전자의 위상 정보를 빛의 궤도각운동량(OAM)과 편광 스커미온 구조로 동시에 변환해 판독했다. 이를 통해 서로 다른 물리적 운반체인 전자와 전자기파 사이에서 위상 정보를 전달할 수 있음을 실험적으로 확인했다.

민선홍 교수는 “전자의 나선형 위상 구조를 빛의 회전 특성으로 변환해 읽어낼 수 있음을 입증한 원리 검증 연구”라며 “앞으로 모드 순도와 효율을 높여 양자정보 인터페이스 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.

박상윤 교수는 “전자와 전자기파의 위상 구조를 연결했다는 점이 핵심”이라며 “양자통신과 정밀 양자센싱용 변환 플랫폼 설계에 활용할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구에는 서울대·차세대융합기술연구원·기초과학연구원(IBS)·한국원자력의학원·삼성전자·한화에어로스페이스·우즈베키스탄 사마르칸트국립대 등이 공동 참여했으며 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받았다.