토폴로지 포토닉스는 무질서와 구조적 결함에 견고한 내성이 있어 위상적으로 보호되고 perturbation에 강하여 빛을 조작하는 새로운 방법으로 제시되고 있습니다. 특히, 광 위상 절연체(photonic topological insulator) 연구는 최근 dislocation이나 disclination과 같은 위상 결정 절연체의 위상 결함(topological defect) 형태로 확장되었는데, fractional charge에 해당하는 빛이 이러한 위상 결함에 갇힐 수 있음이 마이크로파 회로 및 밀리미터 크기의 메타물질을 사용하여 실험적으로 입증된 바 있습니다. 하지만, 다양한 위상 상태를 갖는 초소형 광원을 구현하기 위한 광 위상 절연체 구조는 아직 나노광학에 적용되지 못하고 있습니다. 예를 들어, 빛은 방위각 위상을 통해 궤도 각운동량(orbital angular momentum; OAM)을 전달할 수 있으며, 위상이 비틀어질 때마다 빛에 OAM의 추가 양자 정보가 주입됩니다. 이러한 비틀림은 정교하게 align된 벌크 시스템에서 쉽게 구현할 수 있습니다. 하지만, 컴팩트한 광원에서 OAM을 활용하려면 기존 벌크 시스템을 사용할 수 없는데, 고품질의 OAM 빛을 가둘 수 있는 적절한 메커니즘의 부재로 인해 산란 손실이 크고 광원으로 구현시 문턱값이 높기 때문입니다. 본 연구에서는 다양한 토폴로지 특성을 갖는 나노광원을 구현하여 나노광학 시스템 디자인의 새로운 패러다임을 제시하고자 합니다.

응집물질 물리와 광학은 비슷한 형태의 wave equation을 사용한다는 점에 있어서 유사성이 많습니다. 응집물질물리 이론에서 나타나는 토폴로지 물리 현상을 나노광학 구조에서 빛을 통해 구현하고 실험적으로 확인함으로써, 빛을 제어하는 새로운 방법을 찾아내고 초소형 나노광학 토폴로지 구조를 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 응집물질 이론에서 발견되는 다양한 격자 구조에서 전하가 갇히는 원자 부위를 공기 구멍으로 대체할 수 있습니다 (그림 1). 이렇게 설계된 나노광학 구조에서는 전하가 갇힌 위치에 빛이 갇히게 되고, 빛의 각운동량과 같은 위상학적 특징을 보여줄 수 있습니다.

토폴로지 포토닉스에 관한 연구가 최근 많이 이루어지고 있지만, 기존의 격자 구조는 빛의 유니크한 특성을 유지하며 소자의 크기를 작게 만드는데 한계가 있습니다. 초소형 나노광소자를 구현하기 위해서는 빛을 조작하는 새로운 방식이 필요한데, 고체 이론에서의 위상학적 개념에 대응되는 광학 구조를 직접적으로 디자인하는 연구는 이제껏 이루어진 바가 없습니다. 토폴로지 특성이 적용된 새로운 나노광소자를 구현함으로써 새로운 광통신, 양자광학 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 뿐 아니라, 물리학 전반에 대한 다양한 이해를 얻을 수 있으리라 기대합니다.