LEGO® Education SPIKE^TM Prime-based Atomic Force Microscope for Science Education

Thi Ngoc Nguyen, Luke Oduor Otieno, Thi Thu Nguyen, Oyoo Michael Juma, Yong Joong Lee, Jae-Sung Park, Ho Lee, New Physics: Sae Mulli 73, 992 (2023).

원자힘 현미경(atomic force microscope, AFM)은 마이크로/나노 가공을 통해 제작된 탐침을 이용하여 시편의 표면 형상이나 표면의 기계, 전기, 광 특성 연구를 가능케 하는 측정기기이다. 하지만 수천만 원이 넘는 고가의 장비인 만큼 중등교육 현장뿐 아니라 대학 실험 교육 과정에서도 사용하기 어려운 실정이다. 현재 대한민국에서 중등교육을 받는 많은 학생이 날로 과학 기술에 흥미를 잃어가고 있는 상황에서 과학 기술에 대한 학생들의 관심을 유발할 방법으로 실제 연구 현장에서 사용되는 연구 장비를 학생들 수준에서 이해하고 제작해 보는 과정을 본 논문을 통해 제시하고자 하였다.

AFM은 매우 다양한 구동 모드로 작동이 가능하나, 가장 기본이 되는 접촉 모드 구동 원리는 중고등학생 수준에서 설명과 이해가 가능하다. 외팔보에 달린 탐침이 시편의 표면을 접촉한 상태로 래스터 주사(raster scan)하며 이 과정에서 시편의 표면 높낮이 형상에 따라서 외팔보가 위아래로 움직이게 된다. 이 움직임의 정도를 광학적으로 측정하여 신호 처리를 하면 시편의 표면 형상을 가시화할 수 있는 것이다.

AFM의 핵심 요소들을 중등교육 현장에서 실제로 구현하기 위해서는 가장 먼저 접근성이 좋고, 하드웨어 조립과 프로그래밍이 쉬운 플랫폼을 선정하는 것이 중요하다. 이에 STEM에서 널리 사용되는 레고사의 SPIKE^TM 플랫폼을 사용하기로 하였다. SPIKE^TM 플랫폼은 레고에 이미 친숙한 중고등학생에게 쉽게 다가갈 수 있고, 모터, 광학 센서와 같은 기본 하드웨어가 제공된다는 점과 하드웨어 조립이 쉬운 장점이 있으며, 레고사가 자체적으로 제공하는 프로그래밍 앱 외에 파이썬을 지원하는 등 프로그래밍 확장성까지 갖추었다.

기초적인 AFM의 구성 요소는 광원을 제외하면 대부분 SPIKE^TM 플랫폼 하드웨어를 이용하여 제작되었다. AFM 시스템의 두뇌라고 할 수 있는 SPIKE^TM 허브를 파이썬으로 프로그래밍하여 스캐닝 스테이지 제어, 광학 신호 습득 및 이미지 구현이 가능하다. 그림은 본 연구에서 제작된 기초적인 AFM을 사용하여 얻은 시편의 표면을 가시화한 것으로, 레고 SPIKE^TM과 같은 간단한 교육용 키트가 AFM과 같은 최신 측정 기기 기술을 소개하는 데 유용하게 사용될 수 있음을 보여준다.

광섬유의 비선형 편광 회전 효과에 의해 극초단 펄스를 발생시키는 광섬유 레이저의 모드 잠금 발생 조건 분석 연구

장명재, 김민석, 김현수, New Physics: Sae Mulli 73, 1001 (2023).

극초단 펄스 광섬유 레이저는 광학적 손상 문턱에너지가 낮아 고출력 펄스를 발생시키기 어렵다는 단점이 있다. 이것을 해결하기 위해 광섬유의 비선형 편광 회전 특성을 이용한 모드 잠금 기술이 개발되었다. 이 기술은 비선형 특성을 갖는 광섬유, 편광기, 파장판들의 조합을 이용해 공진기 내부에 광 세기에 대해 비선형적 투과 특성이 형성되도록 하는 것이다. 그러나 이 방법은 모드잠금된 펄스가 잘 발생하도록 각 파장판의 회전각에 대한 무수히 많은 조합을 실험적으로 찾아야 하는 문제가 있다. 많은 연구자들이 이런 문제를 해결하기 위해 파장판들의 각도 구간을 찾기 위한 다양한 방법들을 제안하였지만 성공적으로 이루어지지 못했다. 최근 본 연구자들에 의해 모드잠금 펄스가 발생하는 파장판들의 각도 구간을 쉽게 찾는 새로운 방법이 제안되었다. 본 연구자들은 그림 (a)와 같은 레이저 구조에서 HWP (\(\small \lambda\)/2 파장판) 회전각(\(\small \alpha\))과 QWP (\(\small \lambda\)/4 파장판) 회전각(\(\small \beta\))에 대한 PBS(편광분할기)의 투과도 지도(그림 (b))를 측정된 공진기 내부의 편광을 이용해 제작하였다. 제작된 투과도 지도의 등고선과 실험에서 얻은 모드잠금 펄스 발생 지점(\(\Large\cdot\))들의 상관관계 분석을 통해 이 지점들에서 공진기의 양의 피드백 조건이 됨을 보였다. 즉, 투과도 지도의 등고선 분석 결과를 이용해 모드잠금 발생하는 중심 영역(○)을 찾을 수 있음을 보였다. 제안된 방법은 광섬유 비선형 편광 회전을 이용한 다양한 모드잠금 광섬유 레이저 공진기 구조에서도 적용할 수 있어 모드잠금 펄스 발생을 위한 파장판들의 회전각 조건을 출력단(PBS) 투과도 지도를 이용해 손쉽게 찾을 수 있음을 보였다.

SCES2023 특집호 발간에 즈음하여

SCES 2023 편집위원 일동 - 고아라(전남대), 강창종(충남대), 임성현(울산대), 박성균(부산대), 이두용(경북대), 이재광(부산대), 이승훈(부경대), 진형진(부산대), 양승모(표준연)

그림 1. SCES 2023 참가자 기념사진.

강상관전자계물질 물리학 분야의 대표 국제 학술대회(International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, SCES2023, www.sces2023.org)가 2023년 7월 2일부터 7일까지 6일간의 일정으로 인천 송도컨벤시아에서 국내외 864명이 참석한 가운데 개최되었다(그림 1). 1992년 시작한 SCES 학회는 매년 아시아-유럽-북남미 등의 대륙을 옮겨가며 개최되는데, SCES2023은 한국에서 단독으로 개최되는 것은 처음이다. SCES2023은 총 31개국에서 711편의 수준 높은 논문(12개 기조강연 포함)이 발표되었으며, 무거운 페르미온계, 초전도체, 위상 물리학, 스핀 궤도 물리학 등의 다양한 강상관계전자계 물질 물리학 분야에 대한 22개 세부 주제로 나누어져 진행되었다. 특히 식전 공개 대중강연으로 양자컴퓨터 강의(백한희 박사, IBM) 그리고 양자물질 특별세션, Kondo 물리학 30주년 기념 특별 세션도 열려서 일반 대중과 학회 참석자의 많은 호응을 받았다.

[표 1] Kondo 물리학 기념 세션 중 특집호에 게재된 4편의 논문 목록.

이번 학술대회 프로시딩은 한국물리학회에서 발간하는 학술지 ‘새물리’에 영문으로 게재되었다. 총 30편의 논문으로 구성된 이번 프로시딩은 강상관전자계물질 연구 분야의 다양한 내용을 포함하고 있다. 특히, Kondo 물리학 30년의 기념행사로 진행된 특별세션 초청 연사들의 강연 내용을 특집호 논문으로 구성하였다(표 1). 이는 국내외 Kondo 관련분야의 연구자들에게 지난 30년간의 Kondo 물리학 연구에 대한 기억을 되살릴 좋은 기회라고 생각된다. 또한 다양한 강상관전자계 물질에서 발현되는 물리현상을 포함하고 있어서 강상관전자계 물리학 분야에 관심을 가진 젊은 과학자들에게 일독을 권한다. 이번 프로시딩에 논문을 제출한 모든 저자들, 특히 리뷰논문 기획에 적극적으로 참여해 주신 저자분들과 관계자들(Ernst Bauer, Hisatomo Harima, Stephen Julian)에게도 감사의 마음을 전한다.

끝으로 이번 행사를 성공적으로 진행하고 이번 프로시딩 출판에 도움을 준 SCES2023 학술대회 조직위를 비롯해서 새물리 편집진과 한국물리학회에도 진심으로 감사드린다.