마이크로 방울은 광 모드들을 집중시킨다
Viewpoint: Microdrop Concentrates Light Modes

고립된 원자는 회전 대칭성을 띠고, 에너지는 같지만 구별되는 둘 혹은 그 이상의 전자 상태를 가진다. 그러나 동일한 원자를 가령 북극을 가리키는 자기장 속에 놓게 되면 이 에너지 “겹침(degeneracy)”은 Zeeman 효과라 알려진 반응을 통해 깨진다. 이를 이용하면 자기장의 세기를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 원자와 비슷하게 광학적 물질들도 링, 실린더, 혹은 구와 같은 대칭적 형태로 가공되면 둘 혹은 그 이상의 빛의 겹침 상태, 혹은 모드들을 유지할 수 있다. 이 마이크로 공진기 속의 겹침 상태들은 한방향(unidirectional) 레이저, 광 센서, 자이로스코프와 같은 다양한 응용의 밑바탕이 된다. 최근 Technion-Israel Institute of Technology의 Tal Carmon과 동료들은 완벽한 구에 가까운 광학적 마이크로 공진기가 거의 200 가지 이상의 겹침 모드들을 가지고 있음을 보여주었다.1) 연구자들이 빛 속에 기름 방울들을 공중 부양시켜 만든 이 소자는 원자 광학, 고속 광 통신, 그리고 양자 정보 처리 등의 분야에서 새로운 가능성을 제시할 수 있다.

광학적 마이크로 구형 공진기는 고굴절률 물질로 만든다.2) 따라서 이 소자로 들어가는 빛은 내부 전반사로 인해 그 속에 국한되어 소자의 내부 표면을 따라 계속 회전하려는 경향이 있다. 공진기 내에서 회전하는 광 경로는 일부 진동수에 대해 빛의 파장의 정수배가 되어 보강 간섭을 일으킬 것이다. 이 불연속적인 공진 모드들은 속삭임 회랑 모드(whispering gallery modes, WGMs)라 알려져 있는데,3)4) 이 용어는 “속삭인” 소리가 런던 세인트 바울 성당의 굴곡진 벽을 따라 먼 거리를 부딪히며 전파된 사실에 기인한다. WGM 공진기들은 의도적으로 매우 부드러운 벽을 가지게 만들어 결함이 거의 없기 때문에 모드들이 오랜 시간동안 국한되어 머물 수 있다. 그들은 또한 많은 양의 빛을 좁은 공간 속에 가둘 수 있는데, 연구자들은 이 특성을 이용해 빛-물질 사이의 강화된 상호작용을 연구해 왔다. 

원자 내 에너지 준위와 비슷하게 구형 대칭성을 가진 WGM 공진기 내 허용된 모드들도 일정한 정수들의 집합으로 표현할 수 있다: 반지름 수(radial number) n, 각 수(angular number) l, 그리고 방위각 수(azimuthal number) m이 그들인데 m은 l에서 ‒l까지의 범위 내에 존재한다. 이 숫자들은 광 모드의 최고 세기가 구 내에서 어떻게 분포하는지 알려준다. 예를 들어 n=1이고 l=|m|이면 구의 적도 부근에 형성되는 균일한 빛의 고리에 대응한다. WGM의 공진 진동수(혹은 공진 에너지)는 반지름 수와 각 수 모두에 의존하지만 완벽한 구형 공진기 내에서는 방위각 수에는 의존하지 않는다.5)6) 그 결과 주어진 n과 l을 가진 모드는 (2l+1)개의 겹침 모드들을 가진다. 공진 조건을 만드는 l값이 공진기의 원주와 빛의 파장의 비에 의존하기 때문에 수십 마이크로미터의 크기를 가진 구형 공진기는 가시광선과 근적외선 대역에서 수백 개의 겹침 모드를 가질 수 있다. 이전 연구에서 연구자들은 비슷한 크기의 고체 구형 공진기를 연구했다. 그러나 공진기들은 기둥이나 다른 구조물에 의해 지지되었고 이로 인해 구의 형상이 변형되어 모드의 겹침 상태가 깨졌고 이 모드들의 많은 부분이 파괴되었다.5) 

공진기가 만들어지고 지지되는 방법을 재고함으로써 Carmon과 동료들은 10 마이크로미터 크기의 공진기에 대해 기대되는 200개의 겹침수(초겹침(hyperdegeneracy))를 완벽히 관측하는 데 성공했다. 그들은 유전체 액체(실리콘 오일) 방울로 공진기를 만들고 그것을 광학 집게라 불리는 레이저 빔의 초점 가운데에 부드럽게 띠웠다. 그 속에서 방울은 복사압에 의해 갇히고 지지된다.7) 광학 집게는 거의 완벽히 방울의 구형 대칭성을 보존한다. 방울의 표면은 또한 원자 수준에서 깨끗하고 부드럽다. 그 결과로 방울은 극단적으로 높은 큐 인자(quality factor ~10⁹)를 보였는데, 이 인자는 방울 내 모드의 전형적인 수명에 대한 척도를 나타낸다. 

모드들을 관측하기 위해 연구자들은 공진기를 통과한 빛의 스펙트럼을 측정했다. 이 측정은 방울 바로 옆에 (그러나 접촉하지 않고) 놓이는 가늘어지는 광섬유를 필요로 했고 이를 통해 가변가능한 근적외선 레이저빔을 보내야 했다. 광섬유에서 나온 빛은 스러지는(evanescent) 파의 결합을 통해 방울의 내부로 전달된 후 빠져나왔다. 공진 모드들은 투과 스펙트럼에서 날카로운 오목함(dip)들로 나타났고, 그 깊이와 폭을 분석해 큐 인자와 다른 광학적 특성들이 결정될 수 있었다.

Carmon과 동료들이 200개에 달하는 예상된 모든 모드들을 관측했지만 방울들이 약간 편구되어(oblate) 있었기 때문에 모드들은 에너지 축에서 약간 퍼져 있었다. 장축과 단축 사이의 차이가 약 0.001% 정도인 이 작은 비대칭성은 집게의 복사압, 중력, 그리고 결합된 광섬유의 복합적 효과에 기인한다. (사실, 이 비대칭성이 없었다면 모든 모드는 중첩되어 있었을 것이고 연구자들은 그 안에 얼마나 많은 모드가 들어 있는지 보기 위해 구를 “찌그러뜨려(squash)”야 했을 것이다.) 매우 중요하게, 연구팀은 그들의 측정 스펙트럼 속의 모든 모드들이 정량적인 이론을 통해 성공적으로 예측될 수 있다는 것을 보였다.

단일 원자에 대한 중시(mesoscopic) 유사체로서 부양된 마이크로 공진기는 원자 광학을 시늉(simulating)하기 위한 잘 통제되는 플랫폼으로 기능할 수 있을 것이다. 예를 들어, 연구자들은 방위각 모드들의 깨진 겹침을 이용해 겹침 상태의 원자 준위에 대한 게이지 장의 효과를 시늉낼 수 있을 것이다. 초겹침 공진기들은 또한 응용의 최전선에서 다양한 아이디어들을 촉발할 것이다. 하나의 가능성은 센서다. 초겹침 모드들의 진동수는 외부 미동(perturbation)에 대해 극도로 민감하다. 심지어 공진기 표면 근처의 생체 분자 하나와 같은 극도로 작은 외부 미동도 WGMs의 변조를 측정가능할 정도로 유도한다.8) 이 변조에 대한 분석은 미동의 원인에 대한 다차원 정보를 제공할 것이다. 또 다른 잠재적 응용은 대용량 광통신이다.9) 여기서는 서로 다른 방위각 수를 가진 모드들이 고밀도로 압축된 정보 채널들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우 방울 형상의 조정은 각 채널의 세기나 위상을 동적으로 변조하는 방법을 제공할 것이다. 

고전적인 통신을 넘어서, 공진기에 의해 형성된 l 혹은 m 상태들의 단일 광자 버전들은 정보를 고차원 양자 정보 처리를 위한 큐빗으로 전달할 수 있다. 마지막으로 Carmon과 동료들은 근사하고 도전적인 가능성을 상상한다. 그것은 부양된 일련의 마이크로 공진기들을 이용해 가변성이 높은 광학 회로를 고안하는 것이다. 3차원에서 다수의 광학 집게들을 조정하는 새로 확보된 수단을 이용함으로써 우리는 공진기들의 기하학적 형상과 위치를 동적으로 조정해 다양한 종류의 광학 회로를 구성할 수 있을 것이다.

마그논을 측정하는 새로운 방법
Synopsis: A New Way to Measure Magnons

스핀트로닉스 분야는 물질의 자기적 성질과 전자-스핀 특성들을 이용해 새로운 정보 기술을 도입함을 목표로 한다. 이와 관련된 물질들에서, 전자의 스핀은 협동적으로 세차운동을 하면서 마그논이라 불리는 준입자를 형성하도록 분포할 수 있다. 관례적으로, 마그논은 그들의 스핀 자기 모멘트(spin magnetic moment, SMM)를 통해서만 자기장과 상호작용하는 것으로 생각된다. 새로운 이론적 연구에서, 독일 Halle-Wittenberg의 Martin Luther University에 있는 Robin Neumann과 동료들은 이들 준입자들이 가지는 추가적인 속성, 즉 궤도 자기 모멘트(orbital magnetic moment, OMM)를 특정한 후 이를 측정할 수 있는 실험을 제안했다.(Phys. Rev. Lett. 125, 117209 (2020)).

마그논의 SMM은 임자(host) 물질의 스핀 텍스처(texture), 즉 전자의 스핀들이 교란되지 않은 상태 속에 채택되는 구성에 의해 결정된다. 반면에 OMM은 스핀-궤도 결합이라 불리는 현상인 스핀과 전자의 궤도 운동 사이의 상호작용으로부터 비롯된다. 마그논의 OMM은 그것의 SMM에 비해 약하고 그 방향은 독립적으로 변할 수 있다.

Neumann과 동료들은 마그논의 OMM이 검출될 수 있는 두 가지 방법을 예측했다. 첫 번째 방법은 전자 스핀들이 단일 면 내에 뚜렷한 패턴으로 정렬된 카고메(kagome) 반강자성체라 불리는 물질의 자기 모멘트 측정과 관련된다. 이 면의 바깥에서는 SMM이 사라지고 이는 면을 이탈하는 어떤 검출가능한 자성 신호도 OMM에 기인한 것임을 의미한다. 두 번째 방법에서 연구자들은 온도 기울기가 주어진 넓은 범위의 자성체에서 OMM이 측정될 수 있음을 발견했다. 이 온도 기울기는 마그논의 OMM이 샘플의 표면에서 측정가능한 자화 밀도로 축적되도록 한다. 그와 같은 측정가능한 마그논의 OMM 효과는 미래 스핀트로닉스 소자의 디자인에 영향을 줄 것이라고 연구자들은 말한다.