Chiral Nanophotonics and Control of Light-matter Interaction

DongJun KANG and SeokJae YOO

Chirality, a fundamental symmetry property, denotes the intrinsic handedness of an object, rendering it non-superimposable onto its mirror image via translations and rotations due to the lack of inversion symmetry. This property extends beyond tangible entities to include light, giving rise to a field of chiral nanophotonics. Chiral nanophotonics studies how chiral light interacts with chiral matter at the nanoscale. Understanding chiral light-matter interaction holds the key to novel applications, spanning from ultrasensitive chiral molecule sensing to quantum information processing. We introduce important concepts and recent efforts in chiral nanophotonics and its application.

들어가며

카이랄성(chirality)이란 왼손과 오른손처럼 서로 거울 쌍을 이루지만, 둘이 서로 겹쳐지지 않는 물체의 성질을 뜻한다. 자연에서 카이랄성은 매우 흔한데, 생명체의 유전정보를 담고 있는 DNA가 대표적인 예이다. 또한, 생체 분자의 대부분이 카이랄 구조를 가지고 있다고 알려져 있다. 뿐만 아니라, 고체 결정 구조가 카이랄성을 가질 수도 있고, 미시적으로는 고체를 이루는 전자의 양자 상태가 카이랄성을 가질 수도 있다.

물체나 물질만이 카이랄성을 가질 수 있는 것은 아니다. 빛 또한 편광상태나 빛의 공간적 분포에 따라 카이랄성을 가질 수 있다. 카이랄 나노포토닉스는 이러한 카이랄 빛-카이랄 물질의 상호작용을 나노미터 수준에서 이해하고 제어하는 방법에 대해 연구하는 광학의 세부 분야라고 할 수 있다. 이 글에서는 빛의 카이랄성이란 무엇인지, 그리고 빛의 카이랄성을 통해 나노미터 수준의 작은 영역에서 빛과 물질의 상호작용을 어떻게 제어할 수 있는지, 이러한 카이랄 나노포토닉스가 어떤 분야에 응용될 수 있는지 소개할 것이다.

서 론

Fig. 1. Chirality of light. Spin angular momentum (SAM) is defined by left and right circular polarization. Chiral distribution of light defines the orbital angular momentum (OAM).1)

왼손과 오른손의 예와 같이, 물체의 카이랄성은 물체의 구조에 의해 결정되므로, 물체의 카이랄성이 무엇인지는 우리가 직관적으로 이해할 수 있다. 반면, 빛의 카이랄성을 이해하기 위해서는 빛이 가지고 있는 성질에 대해서 알아야 한다. 빛은 편광(polarization)이라고 불리는 결을 가지고 있다. 이러한 빛의 결은 수학적으로 빛이 벡터로 기술되는 물리량이기 때문에 발생한다. 카이랄 빛을 구성하기 위한 대표적인 예로, 그림 1의 상단과 같이 빛의 결, 즉, 편광이 빛의 진행에 따라 회전하는 경우를 생각할 수 있다. 이 경우 빛은 스핀 각운동량(spin angular momentum, SAM)을 가진다고 표현되며, 빛의 회전이 시계 방향이냐 반시계 방향이냐에 따라 좌원, 우원 편광 빛으로 나눌 수 있다.

반면, 그림 1의 하단과 같이 빛의 공간적 분포가 카이랄 구조를 가지는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우 빛은 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM)을 가진다고 표현되며, 빛이 뒤틀린 정도에 따라 서로 다른 궤도 각운동량으로 빛을 분류할 수 있다.

이러한 빛의 카이랄성을 잘 이용하면, 빛이 물질과 상호작용할 때 빛의 스핀 및 궤도 각운동량에 따라 물질의 반응이 달라지도록 할 수 있다. 예를 들어, 스핀 각운동량을 가지는 빛과 궤도 각운동량을 가지는 빛을 각각 마이크로미터 수준의 아주 작은 입자에 쪼이는 실험을 해보자. 각운동량의 명칭에서 예상할 수 있듯이, 스핀 각운동량을 가진 빛을 쪼인 입자는 제자리에서 자전을 하는 반면, 궤도 각운동량을 가진 빛을 쪼인 입자는 광선의 중심을 축으로 하는 공전 운동을 하게 된다. 이때, 스핀/궤도 각운동량의 부호를 반대로 뒤집을 경우, 입자가 자전과 공전하는 방향 또한 각각 반대로 뒤집힌다.2)

빛의 카이랄성과 물질의 상호작용은 앞서 살펴본 입자의 역학적 운동 제어에만 국한되지 않는다. 아주 작은 카이랄 분자가 빛을 흡수하는 정도를 빛의 카이랄성을 통해 제어할 수도 있고, 카이랄성을 가지는 반도체 안의 전자의 움직임 또한 빛의 카이랄성을 통해 제어할 수 있다. 이처럼 빛의 카이랄성은 빛과 물질의 상호작용을 제어할 수 있게 하는 강력한 도구이다. 이때, 나노포토닉스 소자를 이용하면 빛을 나노미터 수준의 작은 영역에 시공간적으로 강하게 집속하는 것이 가능하며, 따라서 빛과 물질의 상호작용을 크게 증폭하는 것이 가능하다. 이어지는 글에서는 나노포토닉스 소자를 이용하여, 카이랄 빛-물질 상호작용을 제어하는 두 가지 예를 살펴볼 것이다.

나노구조 기반 카이랄 분자 센싱

빛의 카이랄성을 이용한 가장 직접적인 응용 중 하나는 카이랄 구조를 가지는 분자를 카이랄 빛을 통해 검출하고, 왼손과 오른손 분자를 높은 민감도로 구별해내는 것이다. 지난 20‒30년간의 연구를 통해, 우리는 광학 공진기가 빛을 아주 좁은 영역에 오랫동안 가둘 수 있고, 이 때문에 공진기 내부나 근처에 있는 분자를 검출하는 데에 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 더불어, 최근에는 이러한 접근 방법을 카이랄 분자 센싱에 확장하여, 카이랄 빛-물질 상호작용을 극대화할 수 있도록 잘 디자인된 광학 공진기는 카이랄 분자 센싱에 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

먼저, 공진기가 어떻게 분자를 검출하는 데에 도움이 되는지 한 가지 비유를 통해 이해해보도록 하자. 헬륨 가스를 마시면 목소리가 변하는 것은 일반인들도 잘 알고 있는 사실일 것이다. 사람의 목소리는 호흡기 구조에 의해서 결정되는데, 헬륨 가스를 마시게 되면 호흡기 안을 채우는 기체의 밀도가 변하고, 따라서 목소리의 진동수가 변하게 된다. 이러한 원리를 생각해보면, 헬륨 가스를 마신 뒤 목소리가 변하는 정도를 통해 호흡기 안에 있는 헬륨 가스의 농도를 유추하는 것도 가능하다고 생각할 수 있다.

나노광학 공진기를 이용한 분자 센싱은 헬륨 가스에 의한 목소리 변화와 비슷한 원리라고 이해할 수 있다. 나노광학 공진기는 공진기를 이루는 물질의 종류와 공진기의 구조에 따라 다른 공명 주파수를 가지고 있다. 호흡기를 헬륨 가스가 채우듯, 공진기 주변에 분자가 들어오게 되면 나노광학 공진기의 공명 주파수는 분자에 의해 변화하게 된다.

Fig. 2. A nanoscale sensing platform consists of chiral nanoparticles, namely helicoids. The interaction strength of helicoids differs according to the handedness of chiral molecules (red and blue colored molecules) and circular polarization states of light.3) In Fig. 2, left-circular polarized (LCP) light excitation induces uniform optical helicity distribution near the surface of the helicoids. Since helicoids form a periodic lattice, the helicoids collectively respond to LCP light (i.e. collective resonance (CR) modes). If right-circular polarized (RCP) light is incident, the optical responses of the helicoids also change. This chiral change in the optical response can be used as a measure of chiral molecule sensing.

카이랄 나노광학을 이용하면 분자의 농도뿐 아니라 분자의 카이랄 구조도 아주 민감하게 구분해낼 수 있다. 그림 2는 헬리코이드(helicoid)라고 불리는 카이랄 금속 나노입자를 일정한 주기로 배열한 고민감 광학 공진기 구조를 보여준다.3) 이러한 구조에서는 빛의 편광에 의한 카이랄성과 분자 구조에 의한 카이랄성의 조합에 따라 광학 공진기의 공명 주파수가 변화하는 정도가 모두 다르다. 따라서 공명 주파수가 빛의 카이랄성에 따라 변하는 정도를 추적하면, 공진기 주변의 분자의 농도와 카이랄성을 파악할 수 있다.3)4)

카이랄 공진기를 통한 양자 상태 제어

Fig. 3. (a) A two-level system and its emission. (b) A chiral two-level system and its circularly polarized emission.

빛을 발하는 물질은 그림 3(a)와 같은 양자역학적 이준위계(two-level system)로 기술할 수 있다. 이준위계의 바닥 상태(ground state)에 있는 전자는 두 양자 상태(quantum states) 사이의 에너지에 해당하는 색깔의 빛을 흡수하여 들뜬 상태(excited state)로 이동할 수 있고, 반대로 들뜬 상태에 있는 전자는 빛을 방출하며 바닥 상태로 이동할 수 있다. 이때 이 이준위계 물질 주변에 빛이 강하게 집속될 수 있도록 광학 공진기를 배치할 경우, 이 이준위계는 더욱 많은 빛을 방출할 수 있으므로 더 많은 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 이동할 수 있게 된다. 이러한 물리 현상은 1946년 에드워드 밀스 퍼셀(Edward Mills Purcell)에 의해서 처음 발견되었고, 그의 이름을 따서 퍼셀 효과(Purcell effect)라고 부른다. 퍼셀 효과는 레이저와 cQED라고 불리는 공진기 양자 전기역학(cavity quantum electrodynamics)의 작동 원리가 되었고, 이밖에 수많은 나노광학 소자의 기초가 된 중요한 물리 현상이다.

카이랄 물질의 경우(카이랄 물질의 종류와 물리적 특성에 따라 양자 상태의 모양은 그림 3(b)와 같은 한 쌍의 이준위계가 아닐 수 있으나, 설명을 위해 그림 3(b)와 같은 양자 상태를 다루기로 하자), 그림 3(b)와 같이 한쌍의 이준위계가 각각 좌원편광, 우원편광 빛과 결합한 양자 상태를 가질 수 있다. 이상적인 경우 각각의 이준위계는 독립적이며, 전자가 어떤 이준위계를 선택해서 양자 상태 전이(transition)를 겪는지에 따라 이 물질에서 나오는 빛은 완전한 원형 편광을 가질 수 있다. 그러나 자연 상태의 물질 안의 전자는 외부의 불순물이나 열적 진동 등에 의해 영향을 받으므로, 그림 3(b)의 점선 화살표에 표시된 것처럼 전자는 한 이준위계에서 다른 이준위계로 산란될 수 있고, (그림에는 표현되지 않은) 다른 양자 상태로 산란될 수도 있다.

이러한 카이랄 발광체(chiral emitter)의 자연적 한계는 광학 공진기에 의해 극복될 수 있다. 우리는 광학 공진기가 빛의 편광에 따라 선택적으로 빛을 가둘 수 있게 공진기 구조를 디자인할 수 있다. 예를 들어, 좌원편광된 빛을 100% 가둘 수 있고, 우원편광된 빛을 전혀 가둘 수 없는 광학 공진기를 만들 수 있었다고 하자. 이때, 자연물질의 한계로 인해 좌원편광된 빛과 우원편광된 빛을 특정 비율로 발하는 카이랄 발광체를 광학 공진기를 통해 성질을 개선하고 싶다고 하자. 이 카이랄 발광체가 광학 공진기 내부 또는 근처에서 결합할 경우, 퍼셀 효과에 의해서 좌원편광 발광 채널은 강화되고, 우원편광 발광 채널은 억제될 수 있다. 이러한 비대칭적 퍼셀 효과는 카이랄 퍼셀 효과(chiral Purcell effect)라고 불린다.5)

Fig. 4. Two-dimensional transition metal dichalcogenides coupled to an optical cavity supporting the ordinary Purcell effect or the chiral Purcell effect.6)

카이랄 퍼셀 효과는 자연 광활성(natural optical activity)를 보이는 일반 카이랄 분자에 적용될 뿐만 아니라, 여러 다른 카이랄 양자 물질에도 확장이 가능하다. 예를 들어, 카이랄 양자 물질에 광학 공진기를 결합하여 카이랄 퍼셀 효과를 이용하면, 빛을 통해 양자 상태 전이의 정도를 제어하고, 특정 양자 상태를 선택적으로 이용할 수 있다. 카이랄 퍼셀 효과가 적용되는 대표적인 양자 물질의 예로, 2차원 TMD (transition metal dichalcogenide)라는 카이랄 발광 물질을 들 수 있다. 2차원 TMD는 최근 각광 받고 있는 반도체성 물질로 그림 3(b)와 유사한 양자 상태를 갖는다.(실제 양자 상태 구조는 SOC에 의해 이보다 복잡하다.) 이 물질은 그림 4에 표현된 것과 같이, 원자 1개 두께로 MoS₂, WSe₂와 같은 물질이 평면을 이룬 2차원 결정 구조(crystal structure)를 가진다.

2차원 TMD의 각 카이랄 이준위계는 밸리(valley)라고 불린다. 기존 전자 소자(일렉트로닉스; electronics)에서 0(off)와 1 (on)을 정보 처리의 기본 수단으로 삼는 것처럼, 2차원 TMD에서는 각 밸리에 저장된 전자를 정보 처리의 수단으로 삼는 “밸리트로닉스(valleytronics)”가 가능하다. 이때, 서로 다른 2차원 물질이 적측된 이종접합구조(heterostructure), 2차원 물질의 서로 뒤틀린 각도로 적층된 무아레(Moire) 구조, 2차원 물질을 이루는 원자 1개가 빠져서 형성된 결함(defect) 양자점과 같이, 2차원 TMD에 기반한 구조에서는 앞서 설명한 밸리 선택적(valley-selective) 특성이 유지될 수 있다. 따라서 밸리 기반 양자 계산과 같은 다양한 응용 분야에서 빛으로 양자 상태를 효과적으로 제어하기 위해 카이랄 퍼셀 효과가 응용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

맺음말

본문에서 소개한 것과 같이, 카이랄 빛과 카이랄 물질의 상호작용을 제어하는 데에 나노포토닉스 소자는 매우 효과적이다. 카이랄 나노포토닉스에 대해 이 글에서는 주로 카이랄 분자 센싱과 양자 상태 제어에 대해 다뤘다. 이밖에도 수많은 다른 물질의 카이랄 빛-물질 상호작용을 제어하기 위해 카이랄 나노포토닉스가 유용하게 적용될 수 있을 것이라고 생각된다. 예를 들어, 이 글에서는 다루지 않았지만, 강한 자기장이 물질에 가해질 때 발생되는 자기 원형 이색성(magnetic circular dichroism, MCD)과 같은 현상들도 카이랄 나노포토닉스의 연구 대상이 될 수 있다. 카이랄 나노포토닉스를 이용한 빛-물질 상호작용 제어 연구는 이론적, 실험적으로 초기 단계에 있으며, 여러 다양한 카이랄 물질들에 적용이 가능하므로 앞으로 연구할 여지가 무궁무진하다.