버클리연구소 연구진이 금속 단일벽 나노튜브에서 루팅거 액체 플라즈몬을 만들었다.
‘플라즈몬(plasmons)"이라는 용어는 조만간 개봉될 새 스타워즈 영화에나 나올 것처럼 들릴지도 모르지만, 플라즈몬 효과가 알려진 지는 몇 세기나 되었다.

사진 : 금속 단일벽 나노튜브의 루팅거-액체 플라즈몬을 보여주는 s-SNOM 적외선 이미지

분자와 원자에 느슨하게 속박된 전도 전자들의 집단적 진동인 플라즈몬은 금속의 표면을 가로질러 굴러가며 광자와 상호작용을 한다.
예를 들어, 금, 은 및 다른 금속 나노입자의 플라즈몬은 가시광선 광자와 상호작용을 함으로써 착색유리에 나타나는 강렬한 색상을 발생시킨다.
착색유리 기술의 기원은 1,000년 이상 거슬러 올라간다. 그러나 플라즈몬은 첨단 분야에도 응용된다.
실제로, 플라즈몬의 이름을 딴 플라즈몬공학(plasmonics)이라는 신흥기술은 초고속 컴퓨터나 광학 현미경법에 큰 가능성을 쥐고 있다.

플라즈몬이 첨단기술에 응용되는 핵심적 이유는 광자의 에너지를 그 광자의 파장보다 더 작은 공간규모로 제한하는 플라즈몬의 독특한 능력에 있다.
이번에 ALS(Advanced Light Source)에서 연구하고 있는 버클리연구소 재료과학부(Berkeley Lab`s Materials Sciences Division) 연구팀은 일찍이 없었던 가장 강력한 제한계수(confinement factors)를 자랑하는 플라즈몬을 발생시키고 검출했다.
이 플라즈몬의 파장은 자유공간 광자 파장의 100분의 1에 불과하다.

연구진은 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope)의 첨단부 위로 적외선 빛을 집속시킴으로써, ‘루팅거-액체(Luttinger-liquid)’플라즈몬이라는 것을 금속 단일벽 나노튜브에서 관찰할 수 있었다.
페르미-액체 이론(Fermi-liquid theory)은 대부분의 2차원 및 3차원 금속을 통해 흐르는 전자들의 흐름을 설명하지만, 루팅거-액체는 단일벽 나노튜브(SWNT)와 같은 1차원 물체를 통해 흐르는 전자들의 흐름을 설명하는 이론이다.
“직경이 겨우 1나노미터에 불과한 1차원 물체인 개별적인 나노튜브에서 플라즈몬이 관찰될 수 있다는 것이 놀랍다.
산란형 주사근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용함으로써 우리는 루팅거-액체의 물리학을 연구할 수 있으며 자유공간 광자보다 거의 1억 배나 더 작은 엄청난 부피 제한을 가진 새로운 플라즈몬 장치를 연구할 수 있다.

우리가 관찰한 것은 원거리통신 파장을 포함한 넓은 주파수 범위에서 새로운 플라즈몬 장치나 나노포토닉스 장치를 개발하는데 매우 유망할 것”이라고 버클리연구소 재료과학부의 응집물질 물리학자이며 이번 연구를 이끈 펭 왕(Feng Wang)은 말했다.
UC버클리 물리학과와 카블리에너지나노 과학연구소(Kavli Energy NanoScience Institute) 소속이기도 한 왕은 이번 연구를 설명한‘Nature Photonics’논문의 교신저자이다.
이 논문의 제목은‘금속 단일벽 탄소 나노튜브에서 관찰된 루팅거-액체’이며, 공동저자인 지웬 시(Zhiwen Shi)와 시아오핑 홍(Xiaoping Hong) 모두 왕의 UC버클리 연구팀의 일원이다.

나노 포토닉스와 나노 전자공학의 통합에 있어서 플라즈몬의 잠재력은 엄청나지만, 고전적인 플라즈몬 기반의 나노포토닉스 회로를 개발하는 일은 강력한 공간 제한, 높은 품질인자, 그리고 낮은 분산이라는 특성들을 동시에 나타내는 광대역 플라즈몬 도파로를 달성하기 어렵다는 사실에 의해 큰 방해를 받아왔다.
왕과 동료들의 관찰 결과는 SWNT에서 1차원 전도 전자로 구성된 루팅거-액체 플라즈몬이 고전적인 플라즈몬과는 매우 다르게 거동한다는 것을 증명한다.

 “SWNT의 루팅거-액체 플라즈몬은 운반자 농도나 여기 파장에 무관한 반양자화된 속도로 진행하며, 엄청난 공간제한, 높은 품질인자, 그리고 낮은 분산을 동시에 나타낸다.
일반적으로, 광 소자로 빛을 효과적으로 조작하기 위해서는 그 빛의 파장이 장치보다 더 작아야 한다.
파장보다 매우 작은 규모로 광자의 에너지를 집중시킴으로써, SWNT의 루팅거-액체 플라즈몬은 빛 파장을 효과적으로 줄여준다.
그 결과로 광학 소자의 소형화가 나노미터 규모로 축소될 수 있다”고 공동주저자인 시는 말했다.

연구진은 ALS 빔라인 5.4.1에 있는 s-SNOM 장치를 이용하여 루팅거-액체 플라즈몬을 관찰했다.

1.2~1.7나노미터 직경을 가진 금속 SWNT가 성장되고 정제된 뒤에 질화붕소 기판 위에 증착되었다.
SWNT를 따라서 플라즈몬을 여기하고 검출하기 위해서 단일파장 적외선 빛이 원자힘 현미경의 첨단부에 집속되었다. “루팅거-액체 플라즈몬을 우리가 직접 관찰한 것은 흥분된 새로운 기회를 열고 있다.
예를 들어, 현재 우리는 포토닉스와 집적광학에서 가장 널리 쓰이는 원거리통신 파장에서 이러한 플라즈몬을 연구하고 있다.
또한 우리는 이러한 플라즈몬의 특성이 정전 단속, 기계적 변형 및 외부 자기장을 통해서 조작될 수 있는지도 연구하고 있다”고 왕은 말했다.

위 자료는 KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』의 발표자료를 요약한 것이다.