KR20190036790A - 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가장 하부에 제공되는 기판; 및 상기 기판의 상측에 제공되고, 메타표면으로 제공되는 기능층을 포함하고, 상기 기능층은 기 설정된 간격을 두고 나노 크기의 타원형 슬릿이 복수개 제공되는 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체를 제공한다.

Description

광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체 및 그 제조방법{METAMATERIAL STRUCTURE WITH PHOTONIC SPIN HALL EFFECT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
에드윈 홀(Edwin Hall)은 횡자기장이 금속판을 통과할 때 전자들의 흐름을 어떻게 편향시킬 수 있는지를 설명하는 홀 효과(Hall Effect)를 발견했다. 홀 효과란 자기장 속에 도체가 놓여있을 때 자기장의 직각 방향으로 전류를 흘려주면 자기장과 전류 모두에 수직인 방향으로 전기장이 발생하는 현상을 말한다.
최근에는, 비특허문헌 1에 개시된 것처럼 얇은 반도체 속 전자들에 대해 자기장 없이도 홀 효과와 비슷한 현상이 일어나는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect, SHE)가 입증되었다.
스핀 홀 효과는 홀 효과와 유사하나, 외부 자기장이 없을 때에도 자체 유발된 스핀에 의해서 홀 효과가 나타나는 현상으로, 회전하는 전자들이 반도체를 통과하면서 구부러진 경로를 따라 움직이는 현상을 설명하는 이론이다. 이는 전자의 물리적 운동과 스핀 사이의 상호작용으로 발생한다.
금속을 통과하여 이동하는 빛도 이러한 스핀 홀 효과, 즉, 광자 스핀 홀 효과(photonic SHE)가 나타날 수 있다. 광자 스핀 홀 효과는 간단하게 입사되는 빛의 스핀에 따라 빛의 경로가 나누어지는 것으로 이해될 수 있다. 그런데, 광자의 스핀 각운동량(spin angular momentum)과 스핀 궤도 상호작용(spin-orbit interaction)은 매우 작기 때문에 광자 스핀 홀 효과는 매우 약하게 나타난다.
종래에는 실험을 반복하여 누적 신호를 얻거나, 고도로 정교한 양자측정을 이용함으로써 광자 스핀 홀 효과를 관측하는데 성공했으나, 이러한 종래의 방법은 광자 스핀 홀 효과를 얻기 위해 실험을 반복적으로 수행하거나 고도로 정교한 양자측정을 이용해야 하는 어려움이 있었다.
비특허문헌 1: X. Yin, Z. Ye, J. Rho, Y. Wang, and X. Zhang, Science 339, 1405(2013)
본 발명은 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있는 메타물질 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체는, 가장 하부에 제공되는 기판; 및 상기 기판의 상측에 제공되고, 메타표면으로 제공되고, 타원형 슬릿을 구비하는 기능층을 포함하는 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체가 제공될 수 있다.
또한, 상기 기능층은 은(Ag)이고, 상기 기판은 이산화규소(SiO2)일 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿은 내측 타원과 외측 타원에 의해 구획되고, 상기 내측 타원과 상기 외측 타원은 어느 하나의 중심으로부터 같은 방향으로 길게 연장될 수 있다.
또한, 상기 내측 타원은, 상기 중심으로부터 가장 가까운 지점까지의 거리가 23 내지 63nm 범위에 있고, 가장 먼 지점까지의 거리가 66 내지 106nm 범위에 있을 수 있다.
또한, 상기 내측 타원은, 상기 중심으로부터 가장 가까운 지점까지의 거리는 43nm이고, 가장 먼 지점까지의 거리는 86nm일 수 있다.
또한, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점은 상기 중심과 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치하고, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점은 상기 중심과 상기 내측 타원의 가장 먼 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치하고, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점 사이의 거리는 10 내지 70nm이고, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 먼 지점 사이의 거리는 50내지 110nm일 수 있다.
또한, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점 사이의 거리는 50nm이고, 상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 먼 지점 사이의 거리는 100nm일 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿은 중심으로부터 가까운 부분에서 먼 부분을 향하면서 슬릿의 폭이 점차 폭이 넓어지는 형태로 제공될 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿의 깊이는 상기 기능층의 두께와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판은 이산화규소, 실리콘, 불화 칼슘 중 하나로 형성되고,상기 기능층은 금 또는 은 중 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체는, 기판; 및 상기 기판에 적층되고, 메타표면으로 제공되고, 복수 개의 타원형 슬릿을 구비하는 기능층을 포함하는 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체가 제공될 수 있다.
또한, 복수 개의 상기 타원형 슬릿은 기 설정된 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 어느 하나의 상기 타원형 슬릿과 가장 가까운 타원형 슬릿은 x, y 좌표계에서의 상대 좌표로서 (
Figure pat00001
,
Figure pat00002
)에 위치되고,
Figure pat00003
는 ±700 내지 770nm이고,
Figure pat00004
는 ±700 내지 770nm일 수 있다.
또한,
Figure pat00005
는 ±740nm이고,
Figure pat00006
는 ±740nm일 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿의 주기는 식
Figure pat00007
에 따라서 도출되고,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
는 어느 하나의 상기 타원형 슬릿에 대한 다른 타원형 슬릿의 상대 위치일 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿은 반경이 커지는 0<
Figure pat00010
<90 및 180<
Figure pat00011
<270에서 기하학적 전하(m)가 0보다 크고, 반경이 축소되는 90<
Figure pat00012
<180 및 270<
Figure pat00013
<360에서 기하학적 전하(m)가 0보다 작은 이중으로 축퇴된 기하학적 전하를 가질 수 있다.
또한, +45°선형 편광이 조명될 때 기하학적 전하(m)가 +1이고, -45°선형 편광이 조명될 때 기하학적 전하(m)가 -1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체의 제조방법은, 가장 하부에 형성되는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판에 메타표면을 갖는 기능층을 적층하는 단계; 및 상기 기능층에 타원형 슬릿을 형성하는 단계를 포함하는 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체의 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기판은 이산화규소이고, 상기 기능층은 은이며, 상기 기능층은 전자빔 증착기에 의해 상기 기판 상에 적층될 수 있다.
또한, 상기 타원형 슬릿은 집속 이온빔 밀링 공정에 의해 상기 기능층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 구조체에 의하면 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.
또한, 궤도 각운동량의 유무에 관계없이 광자 스핀 홀 효과를 갖는다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 구조체의 사시도 및 평면도이다.
도 2는 도 1의 메타물질 구조체에 선형 편광이 조명된 LSP 모드의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 메타물질 구조체에 원형 편광이 조명된 LSP 모드의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 메타물질 구조체의 2차원 설계 및 광자 스핀 홀 효과의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 메타물질 구조체의 실험 샘플의 SEM 이미지와 타원형 슬릿의 구성 및 광자 스핀 홀 효과를 측정하기 위한 광 경로를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 CCD2 이미지를 보여주는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 일 실시예에 따른 메타물질 구조체의 사시도 및 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체(100)는, 가장 하부에 제공되는 기판(110)과, 기판(110)의 상측에 메타표면으로 제공되는 기능층(120)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 메타물질(Metamaterial)은 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 새로운 인공소재로서, 음의 굴절률을 가져서 음굴절을 구현하는 것이다. 이때, 음굴절이란 빛이 굴절할 때 법선을 기준으로 하여 입사광과 같은 방향으로 빛이 굴절하는 현상을 말한다. 메타물질은 이러한 음의 굴절률을 가짐으로써, 일반 재질과 반대 방향으로 빛의 굴절이 일어나도록 한다. 본 실시예에서는 기판(110) 및 기능층(120)이 메타물질로 작용하는 것을 예로 들어 설명한다.
기판(110)은 메타물질 구조체(100)의 가장 하부에 제공되는 것으로서, 기능층(120)을 지지한다. 기판(110)은 이산화규소(SiO2)로 형성된다.
또한, 기판(110)의 상부에는 메타표면을 갖는 기능층(120)이 제공될 수 있다. 여기서, 기능층(120)은 은(Ag)으로 형성될 수 있다. 기능층(120) 상에는 타원형 슬릿(121)이 형성될 수 있는데, 이와 관련된 구체적인 설명은 후술하겠다.
본 발명의 실시예에서는 기판(110)과 기능층(120)이 각각 이산화규소와 은 소재로 형성되는 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판(110)은 이산화규소, 실리콘, 불화 칼슘 등의 소재로 형성될 수 있고, 기능층(120)은 가시광선에서 표면플라즈몬을 여기시킬 수 있는 소재로서, 일 예로 금 또는 은으로 형성될 수 있다.
메타표면은 작동하는 빛의 파장보다 작은 나노 구조물을 배열하여 만든 기능성 박막으로서, 각각의 나노 구조물이 빛의 파장, 파면, 위상, 진폭 등 빛의 특성의 조절을 수행하는 안테나 역할을 할 수 있다. 이때, 메타표면을 구성하는 금속 나노 구조물의 크기는 수 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 나노 구조물의 두께 및 배열은 다양할 수 있다. 이러한 메타표면은 일반적으로 전자빔 리소그래피 공정을 통해 제작되나, 메타표면의 제조 방법은 이에 한정되지 않는다.
이때, 기능층(120)은 하이퍼볼릭 형태의 분산을 나타내는 하이퍼볼릭 메타표면을 제외한 메타표면일 수 있다. 여기서, 하이퍼볼릭 메타표면이란, 일반적인 플라즈모닉 금속과는 다르게 정의되는 비등방성 재질로서, 방향별 유전율의 부호가 다른 재질을 말한다. 이처럼 기능층(120)에서 하이퍼볼릭 메타표면을 제외하는 이유는 하이퍼볼릭 메타표면의 경우 분산 관계(dispersion relation) 특성이 일반적인 플라즈모닉 금속과는 다르게 정의되기 때문에, 아래와 같은 드루드 모델에서 유전율이 달라지기 때문이다. 따라서, 하이퍼볼릭 메타표면을 표면 플라즈모닉 특성을 바탕으로 하는 광자 스핀홀 효과 구조에는 이용하기 어렵다.
은 소재의 메타표면으로 제공되는 기능층(120)은
Figure pat00014
로 모델링 되는 드루드(drude) 모델일 수 있으며, 고주파 유전율(
Figure pat00015
)가 6.0이고, 플라즈마 주파수(
Figure pat00016
)가
Figure pat00017
이며, 충돌 빈도(
Figure pat00018
)가
Figure pat00019
일 수 있다.
또한, 기능층(120)은 기 설정된 두께로 제공될 수 있다. 예를 들어, 기능층(120)은 60nm 내지 70nm의 두께, 바람직하게는 65nm의 두께를 가질 수 있다. 이때, 기능층(120)은 기판(110)에 전자빔 증착기 또는 스퍼터를 통해 증착될 수 있다.
도 1을 참조하면, 메타물질 구조체(100)의 가장 상부에 있는 기능층(120)에는 타원형 슬릿(121)이 형성될 수 있다. 타원형 슬릿(121)은 타원형으로 제공되는 것으로서, 나노 단위 크기로 형성되어 기능층(120)에 일정한 배열로 제공될 수 있다. 이때, 타원형 슬릿(121)은 실리카 기판(
Figure pat00020
)위에 65nm 두께를 갖는 은 박막을 증착한 후, 작은 면적에 정교한 형태로 패터닝하는데 효과적인 집속 이온빔 밀링(Focused Ion Beam milling) 공정을 통해 타원형의 슬릿이 구현될 수 있다. 그러나, 타원형 슬릿(121)의 형성 방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography) 공정을 통해 negative tone resist 위에 타원형의 슬릿 모양을 형성한 후 은 박막을 증착하고, 리프트 오프(Lift-off) 공정을 통해 구현될 수 있다.
구체적으로, 타원형 슬릿(121)은 타원 형의 내측 타원과 외측 타원에 의해 구획될 수 있다. 여기서, 내측 타원과 외측 타원은 어느 하나의 중심으로부터 같은 방향으로 길게 연장된다. 또한, 내측 타원은 상기 중심으로 가장 가까운 지점은 a만큼 떨어지고(도면 기준 x축 방향), 가장 먼 지점은 b만큼 떨어지게(도면 기준 y축 방향) 형성될 수 있다. 이때, a는 23 내지 63nm, 바람직하게 43nm일 수 있고, b는 66nm 내지 106nm, 바람직하게 86nm일 수 있다.
또한, 타원형 슬릿(121)의 외측 타원은 내측 타원의 중심과 같은 점을 중심으로 가장 가까운 지점은 a보다 g1만큼 더 떨어지고, 가장 먼 지점은 b보다 g2만큼더 떨어질 수 있다. 즉, 중심으로부터 외측 타원의 가장 가까운 지점은 상기 중심과 내측 타원의 가장 가까운 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치하고, 중심으로부터 외측 타원의 가장 먼 지점은 중심과 내측 타원의 가장 먼 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치할 수 있다. 다시 말하면, g1은 중심으로부터 외측 타원의 가장 가까운 지점과 중심으로부터 내측 타원의 가장 가까운 지점 사이의 거리를 의미하고, g2는 중심으로부터 외측 타원의 가장 먼 지점과 중심으로부터 내측 타원의 가장 먼 지점 사이의 거리를 의미할 수 있다. 여기서, g1은 10 내지 70nm, 바람직하게 50nm, g2는 50 내지 110nm, 바람직하게 100nm일 수 있다. 이 경우, 측정 실험에서 사용되는 레이저 광원에서 가장 효율이 높은 부분에서 표면 플라즈몬이 여기될 수 있다. 이때, 타원의 치수가 약간은 틀어져도 타원 형태를 유지하면서 단축과 장축의 비율이 일정하다면 바람직한 디자인과 비슷한 형태의 표면 플라즈몬이 여기될 수는 있으나, 여기 되는 표면 플라즈몬의 파장대가 약간 달라지게 된다.
또한, 타원형 슬릿(121)은 x축 방향에서 y축 방향으로 갈수록, 즉 중심으로부터 가까운 부분에서 먼 부분을 향하면서 슬릿의 폭이 점차 폭이 넓어지도록 형성될 수 있다. 즉, 타원형 슬릿(121)의 폭은 50nm 내지 100nm일 수 있다. 본 실시예에서 설명되는 결과는 각각 a=43nm, b=86nm, g1=50nm, g2=100nm인 경우 측정된 결과이다.
여기서, 기능층(120)은 메타물질인 바, 타원형 슬릿(121)의 깊이는 박막, 즉 기능층(120)의 두께와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 타원형 슬릿(121)이 기능층(120)에 음각 형태로 제공되는 것을 예로 도시하였으나, 타원형 슬릿(121)은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 타원형 슬릿(121)은 기능층(120)에 양각 형태로 제공될 수 있으며, 양각 형태의 타원형 슬릿(121)은 음각 형태의 타원형 슬릿(121)과 Babinet principle에 의해 광학적 특성이 동일할 수 있다.
다만, 본 실시예와 같이 타원형 슬릿(121)을 음각 형태로 디자인하는 경우, 제조 공정이 보다 용이해질 수 있다.
위상 광자의 관점에서 볼 때, 반경
Figure pat00021
에 의해 정의된 아르키메데스의 와선에 대한 기하학적 전하(geometrical charge, m)는 0이 아니다. 이때, 기하학적 전하는 외부에서 입사되는 빛으로 인해 구조 내부에서 발생하는 전하로서 소정의 구조적인 기하학적 특성을 갖는 것을 의미한다.
Figure pat00022
은 방위각
Figure pat00023
에서의 반경일 수 있다. 아르키메데스의 와선이란 중심으로부터의 거리가 회전각에 비례하여 커지는 소용돌이와 같은 곡선을 의미한다. 구체적으로, 나선형 반지름이 0에서
Figure pat00024
로 증가하는 방위각(
Figure pat00025
)에 대해서 반경을 1만큼 늘리면 m=1인 기하학적 전하 구조를 얻을 수 있고, 반대로, 나선형 반경이 축소되면 m=-1인 기하학적 전하 구조를 얻을 수 있다. 본 실시예에서의 타원형 슬릿(121)은 반경이 커지는 0<
Figure pat00026
<90 및 180<
Figure pat00027
<270에서 기하학적 전하(m)가 0보다 클 수 있고, 반경이 축소되는 90<
Figure pat00028
<180 및 270<
Figure pat00029
<360에서 기하학적 전하(m)가 0보다 작을 수 있다. 즉, 메타물질 구조체(100)는 이중으로 축퇴된 독특한 기하학적 전하를 가질 수 있다.
구체적으로, 메타물질 구조체(100)는 z방향으로 입사광이 전파될 수 있다. 이때, 메타물질 구조체(100)는 나노 크기의 타원형 슬릿(121)을 포함하므로 이방성 물질일 수 있으며, 이에 따라, 메타물질 구조체(100)는 메타표면인 기능층(120)에서 스핀 제어된 표면 플라즈몬(Surface Plasmon, SP) 공명이 일어날 수 있다. 표면 플라즈몬(SP) 공명이란, 도전성 재료의 표면 또는 그 근방에서 특정 파장을 갖는 광자와 전자가 결합되어 생성된 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)의 전파 현상을 지칭한다. 이러한 SP 공명은 일반적으로 음의 유전 함수를 갖는 금속과 양의 유전 함수를 갖는 매질의 계면을 따라 전파하는 전도대 전자들의 집단적인 진동 현상이며, 입사된 전자기파보다 증가된 강도를 갖고 계면에서 수직방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파의 특성을 갖는다. 이때, 나노 크기의 금속 구조에서 발생하는 SP 공명을 국소 표면 플라즈몬(Localized Surface Plasmon, LSP)이라 한다.
본 실시예에서, LSP 모드란 메타물질 구조체(100)에 특정 광이 조사될 때, 메타물질 구조체(100)의 기능층(120)에서 발생되는 SP 공명 상태로 이해된다.
도 2는 도 1의 메타물질 구조체에 선형 편광이 조명된 LSP 모드의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, LSP 모드에서 기 설정된 각도의 선형 편광으로 조명된 타원형 슬릿(121)의 위상 진행 시뮬레이션 결과를 볼 수 있다. 이때, 기 설정된 편광 각도는 +45° 또는 -45°일 수 있고, 자유 공간 파장은 1064nm일 수 있으며, 스핀(σ)은 0일 수 있다.
도 2의 (a), (c), 및 (e)는 +45°선형 편광이 조명되었을 경우의 위상 진행을 보여주고, 도 2의 (b), (d), 및 (f)는 -45°선형 편광이 조명되었을 경우의 위상 진행을 보여주는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 메타물질 구조체(100)에 +45°선형 편광이 조명되는 것을 볼 수 있고, (c)를 참조하면, +45°선형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)의 시계 방향의 위상 진행, 즉, 위상 전하가 +1인 것을 볼 수 있다. 여기서, 위상 전하(l)이 기하학적 전하(m)와 스핀(σ)의 합인 것에 의해, +45°선형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)의 기하학적 전하(m)가 +1인 것을 알 수 있다. 반대로, (b)를 참조하면, 메타물질 구조체(100)에 -45°선형 편광이 조명되는 것을 볼 수 있고, (d)를 참조하면, -45°선형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)의 반시계 방향의 위상 진행, 즉, 위상 전하가 -1인 것을 볼 수 있다. 따라서, -45°선형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)의 기하학적 전하(m)가 -1인 것을 알 수 있다. 즉, +45°선형 편광이 +1인 기하학적 전하(m)를 통해 타원형 슬릿(121)과 상호 작용하고, -45°선형 편광이 -1인 기하학적 전하(m)를 통해 타원형 슬릿(121)과 상호 작용하는 것을 알 수 있으므로, 기하학적 전하의 축퇴는 입사광의 선형 편광 방향에 따라서 다른 것을 알 수 있다.
도 3은 도 1의 메타물질 구조체에 원형 편광이 조명된 LSP 모드의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, LSP 모드에서 서로 다른 스핀 방향을 갖는 원형 편광으로 조명된 타원형 슬릿(121)의 위상 진행 시뮬레이션 결과를 볼 수 있다. 이때, 자유 공간 파장은 1064nm일 수 있고, 궤도 각운동량은 0일 수 있다.
구체적으로, 스핀 상태의
Figure pat00030
를 갖는 원형 편광은 ±90 °의 위상 지연을 갖는 초기 +45°및 -45°선형 편광된 빛의 중첩으로 간주될 수 있다. 여기서,
Figure pat00031
은 오른쪽 원형 편광(RCP)이고,
Figure pat00032
은 왼쪽 원형 편광(LCP)일 수 있다.
도 3의 (a)는 왼쪽 원형 편광에서의 전기장을 나타내고, (b)는 오른쪽 원형 편광에서의 전기장을 나타낸다. 구체적으로, 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 왼쪽 원형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)는 +45°방향과 평행한 국부적인 필드 스팟을 갖고, 오른쪽 원형 편광이 조명된 메타물질 구조체(100)는 -45°방향과 평행한 국부적인 필드 스팟을 갖는 것을 볼 수 있다. 따라서, 메타물질 구조체(100)는 메타표면인 타원형 슬릿(121)을 통해 LCP 입사 또는 RCP 입사에서 특정 공진 모드를 나타낼 수 있다. 즉, LCP 입사 또는 RCP 입사에 따라 다른 기하학적 전하를 갖는 공진 모드가 야기되므로, 입사되는 빛의 스핀(예를 들어, LCP/RCP)에 따라 빛의 경로가 나누어지게 된다. 다시 말하면, LCP를 입사시키면 45도 방향의 전류 또는 표면 플라즈몬이 야기되고, RCP를 입사시키면 -45도 방향으로 표면 플라즈몬이 야기된다. 결국, 직교 분포된 국부적인 영역인 스핀 제어된 SP 공진 모드에서 광자 스핀 홀 효과(photonic SHE)가 나타날 수 있다.
도 4는 도 1의 메타물질 구조체의 2차원 설계 및 광자 스핀 홀 효과의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 기능층(120)에 나노 크기의 타원형 슬릿(121)이 기 설정된 주기 배열로 배열될 때, 공기와 기판(110) 사이의 계면에서의 SPP는 원형 편광 상태의 조명에 따라 2개의 직교 궤적으로 전파될 수 있다. 따라서, 스핀 궤도 광학 상호작용으로 인해 나노 크기의 타원형 슬릿(121)을 갖는 기능층(120)에 스핀 홀 현상이 실현될 수 있다. 본 실시예에서는, 타원형 슬릿(121)의 주기가
Figure pat00033
에 따라 선택될 수 있으며,
Figure pat00034
및
Figure pat00035
는 700nm 내지는 770nm일 수 있으며, 바람직하게는 740nm일 수 있다. 여기서,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
는 어느 하나의 타원형 슬릿(121)을 기준으로 할 때 그와 가장 가까운 타원형 슬릿(121)의 x, y 좌표계에서의 상대 좌표일 수 있으며, 일 예로,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
는 각각 ±740nm일 수 있다. 이와 같이 피치(pitch)를 일정하게 함으로써, 각각의 타원형 슬릿(121)에서 발생하는 표면 플라스몬이 주변의 표면 플라스몬과 상호작용(interaction)하면서 45도 방향 또는 -45도 방향에 위치한 그레이팅(grating) 부근까지 전파(propagation)할 수 있다.
도 4의 (c)는 LCP 입사에 따른 광자 스핀 홀 효과를 나타내는 도면이고, (d)는 RCP 입사에 따른 광자 스핀 홀 효과를 나타내는 도면이다.
도 4의 (c)를 참조하면, LCP 입사인 경우, 궤도 각운동량이 없는 LSP 모드는 타원형 슬릿(121)에서 +45°방향으로 국부적으로 압착된 상태에서 여기되어 +45°방향의 궤적만이 전파될 수 있고, -45°방향의 전파는 진행되지 않을 수 있다. 반대로, (d)를 참조하면, RCP 입사인 경우, 스핀 제어된 SP 모드에 의해 국부 필드가 -45°방향으로 압착될 수 있고, SPP가 +45°방향이 아닌 -45°방향의 궤도를 따라 전파될 수 있다.
도 5는 도 1의 메타물질 구조체의 실험 샘플의 SEM 이미지와 타원형 슬릿의 구성 및 광자 스핀 홀 효과를 측정하기 위한 광 경로를 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5의 CCD2 이미지를 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 기능층(120)에 집중 이온빔(FIB) 밀링을 이용하여 메타물질 구조체(100)의 실험 샘플이 제작될 수 있다. 이때, 도 5의 (a)는 메타물질 구조체(100)의 기능층(120)을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 40μm 스케일로 관찰한 이미지이고, (b)는 (a)보다 더 높은 배율인 5μm 스케일로 보여주는 이미지이다. 이때, 메타물질 구조체(100)의 실험 샘플은 a=43±20nm, b=86±20nm,
Figure pat00040
=40±30nm,
Figure pat00041
=80 ±30nm 및
Figure pat00042
=720nm일 수 있다.
도 5의 (c)는 광자 스핀 홀 효과를 측정하기 위한 광 경로로서, 광 경로를 조정하기 위해 백색광 소스가 기준 빔으로 사용될 수 있고, CCD1은 메타물질 구조체(100)의 샘플의 위치를 확인하는데 사용될 수 있다. 또한, 광원은 1064nm의 좁은 라인 폭의 연속파 레이저가 사용될 수 있다. 이때, LCP와 RCP는 선형 편광판(LP)과 샘플의 기판면에 조사되는 파장판(QWP)에 의해 생성될 수 있으며, 공기와 기능층(120) 계면의 SPP는 회절 격자로 전파될 수 있다. 이러한 전파는 CCD2에 이미징될 수 있다.
구체적으로, 선형 편광판(LP)의 방향을 y축 방향으로 유지하면서 파장판(QWP)의 축을 회전시키면, 입사광의 RCP 또는 LCP 편광 상태는 파장판(QWP)의 각도(θ) 가 +45°또는 -45°일 때 얻을 수 있다. 실험 결과에 따르면, +45°방향의 격자는 QWP 각도가 -35°내지 -40°일 때 LCP의 시뮬레이션 결과에 해당하는 빛을 낼 수 있고(도 6의 (a)참조), -45°방향의 격자는 QWP 각도가 +35°내지 +40°일 때 RCP의 시뮬레이션 결과에 해당하는 빛을 낼 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 메타물질 구조체(100)는 메타표면인 기능층(120)을 포함하므로 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있다. 이때, 기능층(120)에 나노 크기의 타원형 슬릿(121)이 형성되어 이중으로 축퇴된 독특한 기하학적 전하를 가지므로, 스핀 없이도 선형 편광이 전파되는 LSP 모드에서 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 원형 편광이 전파되는 궤도 각운동량이 없는 LSP 모드에서도 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있다.
이러한 광자 스핀 홀 효과를 얻을 수 있는 메타물질 구조체(100)는 빛의스핀에 따라서 빛을 나누는 스핀제어 빔 스플리터(splitter), 라우터(router), 및 방향성 광자 장치 등 다양한 잠재적인 응용 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 평면 광학(flat optics) 분야에서 핵심적인 광학 컴포넌트로 사용될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체 및 그의 메타표면을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
100: 메타물질 구조체
110: 기판 120: 기능층
121: 타원형 슬릿

Claims (20)

  1. 가장 하부에 제공되는 기판; 및
    상기 기판의 상측에 제공되고, 메타표면으로 제공되고, 타원형 슬릿을 구비하는 기능층을 포함하는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기능층은 은(Ag)이고, 상기 기판은 이산화규소(SiO2)인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿은 내측 타원과 외측 타원에 의해 구획되고,
    상기 내측 타원과 상기 외측 타원은 어느 하나의 중심으로부터 같은 방향으로 길게 연장되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 내측 타원은,
    상기 중심으로부터 가장 가까운 지점까지의 거리가 23 내지 63nm 범위에 있고, 가장 먼 지점까지의 거리가 66 내지 106nm 범위에 있는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 내측 타원은,
    상기 중심으로부터 가장 가까운 지점까지의 거리는 43nm이고, 가장 먼 지점까지의 거리는 86nm인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점은 상기 중심과 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치하고,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점은 상기 중심과 상기 내측 타원의 가장 먼 지점을 잇는 선의 연장선 상에 위치하고,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점 사이의 거리는 10 내지 70nm이고,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 먼 지점 사이의 거리는 50내지 110nm인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 가까운 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 가까운 지점 사이의 거리는 50nm이고,
    상기 중심으로부터 상기 외측 타원의 가장 먼 지점과 상기 중심으로부터 상기 내측 타원의 가장 먼 지점 사이의 거리는 100nm인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿은 중심으로부터 가까운 부분에서 먼 부분을 향하면서 슬릿의 폭이 점차 폭이 넓어지는 형태로 제공되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿의 깊이는 상기 기능층의 두께와 동일하게 형성되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 이산화규소, 실리콘, 불화 칼슘 중 하나로 형성되고,
    상기 기능층은 금 또는 은 중 하나로 형성되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  11. 기판; 및
    상기 기판에 적층되고, 메타표면으로 제공되고, 복수 개의 타원형 슬릿을 구비하는 기능층을 포함하는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  12. 제11 항에 있어서,
    복수 개의 상기 타원형 슬릿은 기 설정된 간격으로 배치되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  13. 제11 항에 있어서,
    어느 하나의 상기 타원형 슬릿과 가장 가까운 타원형 슬릿은 x, y 좌표계에서의 상대 좌표로서 (
    Figure pat00043
    ,
    Figure pat00044
    )에 위치되고,
    Figure pat00045
    는 ±700 내지 770nm이고,
    Figure pat00046
    는 ±700 내지 770nm인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  14. 제13 항에 있어서,
    Figure pat00047
    는 ±740nm이고,
    Figure pat00048
    는 ±740nm인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿의 주기는 식
    Figure pat00049
    에 따라서 도출되고,
    Figure pat00050
    ,
    Figure pat00051
    는 어느 하나의 상기 타원형 슬릿에 대한 다른 타원형 슬릿의 상대 위치인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿은 반경이 커지는 0<
    Figure pat00052
    <90 및 180<
    Figure pat00053
    <270에서 기하학적 전하(m)가 0보다 크고, 반경이 축소되는 90<
    Figure pat00054
    <180 및 270<
    Figure pat00055
    <360에서 기하학적 전하(m)가 0보다 작은 이중으로 축퇴된 기하학적 전하를 갖는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  17. 제11 항에 있어서,
    +45°선형 편광이 조명될 때 기하학적 전하(m)가 +1이고, -45°선형 편광이 조명될 때 기하학적 전하(m)가 -1인
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체.
  18. 가장 하부에 형성되는 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판에 메타표면을 갖는 기능층을 적층하는 단계; 및
    상기 기능층에 타원형 슬릿을 형성하는 단계를 포함하는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체의 제조방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 기판은 이산화규소이고, 상기 기능층은 은이며,
    상기 기능층은 전자빔 증착기 또는 스퍼터에 의해 상기 기판 상에 적층되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체의 제조방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 타원형 슬릿은 집속 이온빔 밀링 공정에 의해 상기 기능층 상에 형성되는
    광자 스핀 홀 효과를 갖는 메타물질 구조체의 제조방법.
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