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- 광학 뫼비우스 띠(꼬인 빛의 고리)에서 이론적으로만 예측된 효과를 시연
- 베리 단계는 2013년 초에 예측되었지만 아직 실험적으로 입증되지 않았다.
- 뫼비우스 밴드의 공명 효과는 광학 데이터 처리를 위한 비트 및 양자 비트 역할 가능

빛으로 형성된 뫼비우스 띠
물리학자들은 빛의 꼬인 고리에서 제어 가능한 베리 단계를 시연했다.

뒤틀린 빛:
물리학자들이 이전에 광학 뫼비우스 띠(꼬인 빛의 고리)에서 이론적으로만 예측된 효과를 시연했다. 공명 효과로 인해 베리 위상(Berry phase)이라고 하는 추가적인 파동 위상이 이러한 뫼비우스 대역에서 빛의 타원형 편광과 함께 발생한다. 팀이 알아낸 것처럼 이러한 고유한 특성은 양자 광학에 사용할 수 있는 효과를 만들 수 있다. 

▲ 뫼비우스 띠는 특수 도파관의 빛에서 생성될 수 있다. © D.D. Karnaushenko/ TU Chemnitz

예를 들어 뫼비우스의 띠는 종이 조각의 양쪽 끝을 180도 비틀어 서로 연결하여 만든다. 언뜻 보기에 이 띠는 매우 평범해 보이지만 하나의 표면과 하나의 가장자리만 있고 내부가 외부와 합쳐진다. 이 특별한 위상학적 특성으로 인해 뫼비우스의 띠는 수학적으로나 예술적으로 흥미진진한 물체가 되었다. 예를 들어 벨트의 양쪽을 고르게 착용하는 드라이브 벨트와 같이 실제로도 적용할 수 있다.

뫼비우스 빛의 띠

그러나 뫼비우스 띠는 빛의 파장의 배수에 정확하게 해당하는 둘레를 가진 특수한 고리 모양의 도파관(waveguide)을 사용해 빛으로부터 생성될 수도 있다. 그런 다음 공명이 발생하여 빛의 위상과 편광 방향을 이동 및 회전시켜 뫼비우스 띠를 형성한다. 빔은 초기 구성으로 돌아가기 전에 두 개의 완전한 궤도를 만들어야 한다.
(도파관導波管, waveguide: 전송로로 사용하는 도체로 만든 속이 빈 도관. 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종인데, 구리 등의 전기도체로 된 관(管) 내부를 전자기파가 지나가게 한 것)

▲ 그림 1: Möbius 및 곡선 스트립 미세 공동에서 발생하는 베리 단계. 상단: 뫼비우스 및 곡선 스트립 캐비티를 따라 벡터의 병렬 전송은 각각 벡터 뒤집기(Berry 위상 π, 점선 보라색 타원 발생) 및 벡터 일치(Berry 위상 없음)로 이어진다. 하단: 뫼비우스/곡선 스트립에 대한 입체각이 있거나 없는 푸앵카레 구체의 해당 벡터 전송 진화. (출처:Experimental observation of Berry phases in optical Möbius-strip microcavities / nature photonics)

 

이것이 전부가 아니다. 광선의 광학적 공명이 1/2파장의 홀수 배, 즉 정수가 아닌 분수에서 발생하는 것도 전형적인 광자 뫼비우스 띠다. 실질적으로 이것은 이 도파관의 빛이 순전히 위상 기원인 추가 위상을 획득한다는 것을 의미한다. 이 소위 베리 단계는 2013년 초에 예측되었지만 아직 실험적으로 입증되지 않았다.

링의 "초과" 단계

이것이 바로 Leibniz Institute for Solid State and Materials Research(IFW)와 TU Dresden(드레스덴 공대)의 지아웨이 왕(Jiawei Wang)이 이끄는 물리학자들이 이제 성공을 거둔 것이다. 실험을 위해 그들은 수 마이크로미터의 직경을 가진 여러 개의 투명한 도파관 링을 사용했다. 이들 중 일부는 빛의 뫼비우스 고리를 만들었고, 다른 일부는 빛의 편광을 회전시키지만 뫼비우스 효과를 생성하지 않는 규칙적인 고리 모양의 도파관이었다.

뫼비우스 도파관 고리의 두께와 너비의 특정 비율로 초과한 베리 위상을 갖는 뫼비우스 빛의 띠가 실제로 생성된다. 이것은 빛의 고리에 있는 소위 안티노드(Antiknoten)의 홀수에서 분명하다. 뫼비우스 띠의 경우 115개, 일반 빛의 고리의 경우 116개였다. "우리 실험에서 우리는 이것을 관찰하기 위해 이것을 사용했다.

 

광학 Möbius 도파관의 베리 단계"라고 연구원들은 말했다. 이전에 가정한 것과는 달리, 이러한 공진은 1/2파장의 홀수 배수에서 발생할 뿐만 아니라 일반적으로 정수가 아닌 배수에서도 발생한다.

▲ 그림 2: Möbius 및 곡선 스트립 공동에서 Berry 위상이 있거나 없는 광학 공명 모드. a, b, 동일한 크기의 제작된 Möbius-(a) 및 곡선 스트립(b) 캐비티의 SEM 이미지(상단). 눈금 막대, 5 μm. 시뮬레이션된 광학 모드 프로필(하단)은 공진광의 편광 방향이 스트립 구조를 따라 회전하여 베리 위상을 생성함을 나타낸다. Berry 위상의 존재/부재는 Möbius-/curved-strip microcavities에서 홀수/짝수의 안티노드(N = 115 및 116인 경우가 예로 표시됨)가 있는 전기장 패턴으로 이어진다. 인세트: 수직(스트립이 기판에 수직인 V) 및 수평(H, 스트립이 기판과 평행한 위치) 위치에서 전기장의 확대 이미지. 검정색 화살표는 공동을 따라 전계 방향의 회전을 나타내는 로컬 분극을 나타낸다. (출처:관련논문 Experimental observation of Berry phases in optical Möbius-strip microcavities / nature photonics / Published: 22 December 2022)

타원형 편광 및 제어 가능한 위상

또한 Wang과 그의 팀은 이러한 가벼운 Möbius 밴드에서 편광이 선형에서 타원형으로 변하는 것을 관찰했습니다. 타원형 편파의 정도와 일반 링과 비교한 공진 효과의 편차는 도파관 링의 폭에 의해 영향을 받을 수 있다.

그러나 이것은 물리학자들이 뫼비우스 고리에서 베리 단계를 감지했을 뿐만 아니라 특별히 제어되고 영향을 받을 수 있음을 발견했음을 의미한다. "Berry 위상은 Möbius 도파관의 단면을 변경하여 π에서 0 범위에서 자유롭게 조정할 수 있다"며 "이 프로그래밍 가능한 광학 '이동성'은 빛 토폴로지를 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열었다”고 연구원은 말했다.

양자 광학의 실제 응용

이러한 뒤틀린 빛 띠(twist light band)의 응용 프로그램에는 양자 광학이 포함되며, 여기서 뫼비우스 밴드의 공명 효과는 광학 데이터 처리를 위한 비트 및 양자 비트 역할을 할 수 있다. 또한 양자 계산 및 시뮬레이션에서 논리적 양자 게이트의 구성 요소로 사용될 수 있다. 도파관(waveguide) 링은 직경이 수 마이크로미터에 불과하기 때문에 물리학자들이 설명하는 것처럼 마이크로칩에 쉽게 통합될 수 있다.
(Nature Photonics, 2022; doi: 10.1038/s41566-022-01107-7)
출처: Technische Universität Chemnitz(켐니즈 공대)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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