빛이 회오리바람처럼 회전할 수 있을까? 바르샤바 대학, 군사 기술 대학, 그리고 Institut Pascal CNRS의 과학자들은 '예'라고 대답하며, 극도로 작은 구조 내에서 소용돌이치는 '광학 토네이도'를 만들어냈다. 이 발전은 복잡한 형태를 가진 소형 광원을 구축하는 새로운 방법을 제시하며, 이는 광통신 및 양자 기술을 위한 더 간단하고 확장 가능한 포토닉 장치를 지원할 수 있다.
"우리의 해결책은 양자 역학, 재료 공학, 광학, 고체 물리학 등 여러 물리학 분야를 결합합니다,"라고 연구 그룹 리더인 바르샤바 대학의 Jacek Szczytko 교수는 설명한다. "영감은 원자 물리학에서 알려진 시스템에서 왔습니다. 전자가 다른 에너지 상태를 차지할 수 있는 것처럼, 포토닉스에서는 빛을 가두는 광학 트랩이 비슷한 역할을 합니다." 연구의 첫 저자인 바르샤바 대학과 뉴욕 시립 대학의 Marcin Muszyński 박사는 덧붙인다: "이것을 광학 소용돌이로 생각할 수 있습니다. 광파가 축을 중심으로 꼬이고, 위상이 나선형으로 변합니다. 게다가 편광, 즉 전기장의 진동 방향도 회전하기 시작합니다."
이러한 구조화된 광 상태는 양자 통신 및 미세 물체 제어와 같은 응용 분야에 매력적이지만, 이를 생성하려면 일반적으로 복잡한 나노 구조나 대형 실험 시스템이 필요했다. 연구팀은 다른 전략을 선택했는데, 액정—액체처럼 흐르지만 분자가 결정처럼 질서 정연하게 배열되는 물질—을 사용한 것이다. 이 물질 내에서 토론(toron)으로 알려진 특수 결함이 형성될 수 있다. "그것들은 DNA와 유사하게 단단히 꼬인 나선으로 상상할 수 있습니다,"라고 군사 기술 대학의 Eva Oton 박사와 함께 액정 샘플을 준비한 바르샤바 대학의 나노기술 학생 Joanna Mędrzycka는 설명한다. "이러한 나선의 끝을 도넛 모양의 고리로 연결하여 닫으면 토론을 얻습니다."
효과를 강화하기 위해 토론은 광학 마이크로공동—빛을 반복적으로 반사하고 가두는 거울 구조—내에 배치되었다. "이렇게 하면 장이 훨씬 강해집니다,"라고 Muszyński 박사는 말한다. "또한 외부 전압을 사용하여 트랩의 크기, 따라서 빛의 특성을 제어할 수 있습니다." 연구팀은 또한 새로운 것을 달성했다: 바닥 상태, 즉 가장 낮은 에너지 상태에서 안정적인 광 소용돌이를 만든 것이다. "처음으로 우리는 바닥 상태에서 이 효과를 얻는 데 성공했습니다,"라고 이론 모델을 개발한 Université Clermont Auvergne 및 CNRS의 Guillaume Malpuech 교수는 설명한다. Dmitry Solnyshkov 교수와 박사후 연구원 Daniil Bobylev와 함께 작업했다. "이것은 바닥 상태가 가장 안정적이고 에너지가 축적되기 쉽기 때문에 중요합니다." 레이징을 확인하기 위해 연구자들은 레이저 염료를 도입하여 회전하고, 일관성이 있으며, 잘 정의된 에너지와 방출 방향을 가진 빛을 얻었다.
Dmitry Solnyshkov 교수는 "흥미롭게도 우리의 접근 방식은 소위 벡터 전하를 포함하는 매우 진보된 이론에서 영감을 받았습니다. 그래서 어느 정도 우리는 광자가 전자처럼 행동하지 않고, 오히려 쿼크처럼 행동하도록 만드는 데 성공했습니다,"라고 말한다. 군사 기술 대학의 Wiktor Piecek 교수는 결론을 내린다: "이 발견은 복잡한 구조를 가진 소형 광원을 만드는 새로운 경로를 열어줍니다. 복잡한 나노기술에 의존하는 대신, 우리는 자기 조직화 재료를 사용할 수 있습니다. 미래에는 예를 들어 광통신이나 양자 기술을 위한 더 간단하고 확장 가능한 포토닉 장치를 가능하게 할 수 있습니다."