레이저 연구 혁신, 나노 스케일 조작 가능한 ‘랜덤, 트랜지스터’레이저

지난 반세기 동안 레이저 기술은 수십억 달러 규모의 세계적인 산업으로 성장했다. 광학 디스크 드라이브 및 바코드 스캐너부터 수술 및 용접 장비에 이르기까지 모든 분야에 사용된다.

고양이를 즐겁게 하고 혼란스럽게 하는 레이저 포인터는 말할 것도 없다.

케이스 웨스턴 리저브 대학(Case Western Reserve University)의 연구원은 전세계 파트너와 협력, 외부 전압을 적용해 레이저 출력 빔의 방향을 제어 할 수 있게 했다.

그것은 지난 15년 동안 ‘무작위 레이저(random lasers)’를 실험해온 과학자들 사이에서 역사적인 첫 발명이다.

케이스 웨스턴 리저브, 오하이오(Surfaces of Advanced Materials) 리서치 주세페 스트란기(Jeuseppe Strangi) 물리학 교수는 “아직 해야 할 일이 많이 있지만, 이것은 레이저 방출이 외부 전압을 가함으로써 리라우팅 되고 조종 될 수 있는 트랜지스터 무작위 레이저의 첫 확실한 증거’라고 말했다.

이 연구를 주도한 스트란기와 그의 공동 연구자들은 최근 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 지에 논문을 게재했다. 핀란드 국립 과학 아카데미(National Academy of Sciences)가 자금을 지원한 이 프로젝트는 2 세대 레이저의 물리적 한계를 극복하기 위한 것이다.

레이저, 성공과 한계

레이저 기술의 역사는 통신, 생체의학 및 측정 기술을 포함해 거의 모든 현대 생활영역에서 혁명을 일으키며 빠르게 변화하고 있다.

그러나 레이저 기술은 또한 중대한 단점이 있다. 사용자가 레이저를 이동시키기 위해 빛을 투사하는 장치를 물리적으로 조작해야 하지만 기능을 위해서는 구성 요소를 정확하게 정렬해야 하므로 제작 비용이 비쌌다.

레이저 기술은 1960년대 창안 된 이래로 한 가지 중요한 한계를 가지고 있다. 여기에 묘사 된 의료 애플리케이션에서도 레이저를 이동시키기 위해 빛을 투사하는 장치를 물리적으로 조작해야 한다. 이러한 제한은 곧 작은 전압을 적용, 무작위 레이저 빛을 조작하는 새로운 방법을 보여준 이번 연구로 극복할 수 있다.

스트란기 교수와 이탈리아, 핀란드 및 영국의 연구 파트너는 최근에 나노 스케일을 포함, 임의의 레이저 광을 생성하고 조작하는 새로운 방법을 시연했다.

스트란기는 결국 이것이 다이얼을 돌리면서 광섬유 통신 회선을 리라우팅하거나 보다 정확하고 비침습적인 의료로 이어질 수 있다고 말했다.

기존의 레이저는 주어진 장치에서 광학 캐비티 또는 개구부로 구성된다. 그 공동 내부에는 빛을 내고 증폭시키는 광 발광 재료와 한 쌍의 거울이 있다. 거울은 광자 또는 빛 입자가 특정 주파수에서 앞뒤로 튀어 나와 레이저에서 방출되는 빨간색 광선을 생성한다.

지난 15년간 본격적으로 연구돼온 무작위 레이저는 1960년에 공개된 원래의 기술과는 달리 그 거울에 비친 공동상에 의존하지 않는다는 점에서 다르다.

무작위 레이저의 경우, 많은 방향으로 방출된 광자들이 빛을 액정매체( liquid-crystal medium)에 조사해 광선과 함께 생성된 입자를 안내함으로써 얽히게 된다. 따라서 전통적인 응용 프로그램에서 요구되는 대용량의 미러 된 구조가 필요하지 않다.

스트란기와 연구진이 “솔리톤(soliton)”이라고 불리는 파동은 흩어져있는 광자가 뒤따라오고 질서 정연한 집중 경로로 움직이는 통로 역할을 한다.

다이얼 통한 레이저 조종

작동 방식을 이해하는 한 가지 방법 강어귀에서 강과 바다의 조수가 충돌 할 때 파도를 탈 수 있는 “단일 파도”의 가벼운 입자 버전을 상상해 본다.

이 연구는 액정에 전기 신호를 가하면 전체 구조를 움직이는 것과 달리 사용자가 다이얼로 레이저를 조종 할 수 있다.

스트란기는 “약한 신호(솔리톤)가 강력한 레이저 출력을 제어하기 때문에’트랜지스터라고 부른다”며 “레이저와 트랜지스터는 지난 세기에 혁명을 일으킨 두 가지 주요 기술이었다. 우리는 이들이 동일한 물리적 시스템에 서로 얽혀 있다는 것을 발견했다”고 말한다.

연구자들은 그들의 결과가 무작위 레이저를 분광학 (물리적 화학적 분석뿐만 아니라 천문학 및 원격 감지), 다양한 형태의 스캐닝 및 생물 의학적 절차에서 실제 응용에 활용 가능하다고 믿는다.