새글 국립한밭대 이장원 교수 연구팀, 나노 세계에서 빛의 운동량 제어 기술 개발
- 작성자 산학연구처 연구진흥실
- 작성일 2026-10-30
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- 한국표준과학연구원 연구진과 공동연구 진행, ‘사이언스 어드밴시스’ 게재
- 빛과 진동의 결합상태의 운동량을 양자화하는 새로운 나노광학 공진기 제작
□ 이장원 교수 마이크로사이트: https://lab.hanbat.ac.kr/meta
□ 국립한밭대학교(총장 오용준) 이장원 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 공동연구진이 2차원 반도체 물질의 광학적 한계를 극복하고, 포논 폴라리톤의 운동량을 양자화하는 새로운 나노광학 캐비티(공진기)를 제작해 지난 28일 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)'(IF 13.9, JCR 상위 8%)에 연구 성과를 발표했다.
[ 광결정 공진기 이용해 쌍곡선 포논 폴라리톤의 운동량 양자화 구현 ]
□ 6방정형 질화붕소(h-BN)의 내부에 존재하는 쌍곡선형 포논 폴라리톤(Hyperbolic Phonon Polaritons)은 방향에 따라 다른 분산 특성을 가지고 있어 차세대 중적외선 나노포토닉스의 핵심 플랫폼으로 주목받아 왔다.
○ 하지만 기존에는 연속적인 분산 관계로 인해 손실이 발생하거나 고품질(High-Q) 공진 상태를 구현하기가 기술적으로 까다로웠다.
○ 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광자결정(Photonic-Crystal) 나노캐비티 구조에 질화붕소 박막을 결합한 ‘하이퍼볼릭 폴라리토닉 캐비티 결정(HPCC)’을 고안했다.
○ 주기적인 측면 경계면을 통해 패브리-페로(Fabry-Pérot) 위상 정합 조건을 유도함으로써, 연속적인 분산 관계를 이산적인(discrete) 운동량 고유 상태의 양자화 된 상태로 변환하는 데 성공했다.
[ 최첨단 광학 현미경을 통한 실공간 시각화 및 초고효율 성능 입증 ]
□ 연구팀은 나노공정을 통한 광자결정을 설계 및 제작하고 광유도 힘 현미경(PiFM, Photo-induced Force Microscopy)을 활용해 내부의 강하게 구속된 전자기장 세기를 정밀하게 측정했다.
○ 이를 통해 나노구조 내부에 갇힌 양자화 된 모드들을 운동량과 실공간에서 직접 측정하는 데 성공했다.
○ 캐비티 구조가 높은 품질 계수(Q-factor)와 초소형 모드 체적을 동시에 달성하며 높은 퍼셀(Purcell) 효과를 이끌어냄을 입증했으며, 이는 향후 고감도 분광 분석, 선택적 진동 분광학, 그리고 재구성 가능한 중적외선 나노광학 소자 개발 등에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.
□ 한편, 본 연구는 지난 28일 사이언스 어드밴시스 학술지에 ‘Momentum quantization of hyperbolic phonon polaritons in photonic-crystal cavity'라는 제목으로 게재됐다.
○ 그리고, 이번 연구는 국립한밭대학교 이장원 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 장정훈, 이은성 박사 연구팀의 공동으로 진행했으며, 과학기술정보통신부 개인기초연구 우수연구사업과 한국표준과학연구원의 양자소재 성능평가 플랫폼 구축 전략연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ Professor Jangwon Lee's research team at Hanbat National University (President Oh Yong-jun) and a joint research team at the Korea Research Institute of Standards and Science overcame the optical limits of two-dimensional semiconductor materials and fabricated a new nano-optical cavity (resonator) that quantizes the momentum of phonon polarons, publishing their findings on the 28th in the international journal Science Advances (IF 13.9, top 8% in JCR).
[ Implementing the Quantization of Momentum of Hyperbolic Phonotropoleons Using Photonic Crystals Resonators ]
□ The hyperbolic phonon polaritons found within hexagonal boron nitride (h-BN) exhibit different dispersion properties depending on their orientation, making them a promising core platform for next-generation mid-infrared nanophotonics.
○ However, it has been technically challenging to implement loss or high-Q resonant states due to the continuous distributed connections.
○ To address this issue, the research team devised the 'Hypervolumonic Cavity Crystal (HPCC),' which combines a photonic-crystal nanocavity structure with a thin boron nitride film.
○ By inducing the Fabry–Pérot topological coherence condition through periodic boundary surfaces, we succeeded in converting continuous dispersion relations into quantized discrete momentum eigenstates.
[ Visualization of the actual space and proof of ultra-high efficiency using advanced optical microscopy ]
□ The research team designed and fabricated photonic crystals using nanofabrication techniques and precisely measured the strength of the strongly confined electromagnetic field inside by employing Photo-induced Force Microscopy (PiFM).
○ Through this, they succeeded in directly measuring the quantized modes trapped within the nanostructure in both momentum and real space.
○ The cavity structure has been demonstrated to achieve both a high quality factor (Q-factor) and an ultra-compact mode volume while producing a high Purcell effect, and it is expected to be widely applied in the future to high-sensitivity spectroscopy, selective vibroscopy, and the development of reconfigurable mid-infrared nanophotonic devices.
□ Meanwhile, this research was published on the 28th in the journal Science Advances under the title ‘Momentum quantization of hyperbolic phonon polaritons in photonic-crystal cavity.’
○ This research was conducted jointly by Professor Jangwon Lee's team at Hanbat National University and Dr. Junghoon Jang's and Dr. Eunseong Lee's teams at the Korea Research Institute of Standards and Science, with support from the Ministry of Science and ICT's Excellent Individual Basic Research Program and the Korea Research Institute of Standards and Science's Strategic Research Project for Building a Quantum Materials Performance Evaluation Platform.