미국 과학자들이 이론적으로만 예측됐을 뿐 실제로는 한 번도 관찰된 적이 없는 빛과 물질의 결합이 실제로 가능함을 입증했다고 사이언스 데일리가 27일 보도했다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 과학자들은 `기하학적 절연체'(topological insulator)라고 불리는 특이한 유형의 물질 표면 위에서 광자와 전자의 결합 상태를 만들고 이를 측정하는데 성공했다고 사이언스지에 발표했다.

기하학적 절연체는 내부는 절연체이고 표면에만 전도성이 있는 물체를 가리킨다.

이 연구는 정확하게 레이저빔을 쪼임으로써 실시간으로 전자의 성질이 조절될 수 있는 물질을 만드는 것이 가능함을 보여주는 것이며 "물질의 양자적 상태를 광학적으로 조절하는 새로운 길을 여는 것"이라고 연구진은 강조했다.

연구진은 물질 시료에 중적외선파를 펨토초(1천조 분의 1초) 동안 쬔 뒤 그 결과를 자신들이 개발한 고속 전자 분광 카메라로 관찰한 결과 전자와 광자의 양자-역학적 결합 상태인 이른바 `플로케-블로흐'(Floquet-Bloch) 상태의 고체 결정체로 존재하는 것을 확인했다.

스위스의 물리학자 펠릭스 블로흐가 처음 제기한 가설에 따르면 전자는 결정격자(결정의 원자 배열 상태)의 주기구조에 의해 결정되는 규칙적·반복적인 패턴에 따라 결정체 안에서 움직인다.

광자는 명백한 주파수를 갖는 전자기 파동이기 때문에 물질과 상호작용하면 플로케 상태가 된다.

플로케 상태는 프랑스 수학자 가스통 플로케의 이름을 딴 것이다.

전자와 광자가 결맞음 방식으로 뒤엉키면 시간과 공간에서 모두 주기성을 갖는 플로케-블로흐 상태가 만들어진다.

이들의 연구는 레이저 빔의 편극을 바꾸는 것만으로 물질의 전자적 성질을 바꾸는 것, 예를 들어 전도체에서 반도체로 바꾸는 것이 가능함을 시사한다.

연구진은 "일반적으로 물질의 성질에 이처럼 극적인 변화를 일으키려면 무언가 격렬한 작용을 가해야 하지만 이 연구에서는 단지 빛을 쬐는 것만으로도 가능하다는 것이 밝혀졌다. 이런 방식을 이용하면 전자가 시스템 안에서 이동하는 방식을 실제로 바꿀 뿐 아니라 이 과정에서 빛이 흡수되지조차 않는다"고 설명했다.

다른 상황에서도 빛은 물질의 움직임을 바꿀 수 있지만 반드시 흡수돼 에너지가 물질로 이동해야만 가능하다.

그러나 이 실험에서는 빛 에너지가 흡수 문턱값 이하였다.

이는 빛이 가열과 같은 다른 효과를 일으키지 않고도 물질의 거동을 변경할 수 있는 새로운 가능성을 열어주는 것이다.

연구진은 이 연구를 실지로 응용하기까지는 시간이 걸리겠지만 "물질에 전도성을 갖게 한다든가, 투명하게 만든다는가 하는 특정 기능을 하도록 만들 수 있을 것"이라고 말했다.

지금까지는 화학적인 방식으로만 이런 일이 가능했지만 이 연구 결과를 이용하면 단지 재료에 빛을 쬐기만 하는 방식으로 직접 금속에서 반도체로 변화시킬 수 있다는 것이다.

(서울=연합뉴스)