광학측정기기 해상도 높이는 '광자 특성' 발견

[아시아경제 노미란 기자]빛을 구성하는 근본입자인 광자의 일부 움직임에 대한 비밀이 공개됐다. 광자의 특성을 규명한 국제 공동연구팀의 이번 연구결과는 향후 기존 광학기기의 분해기능을 향상시킬 정밀측정분야에 응용될 것으로 기대된다.

포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀과 독일 프라이부르크 대학 이론연구진이 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 11일자에 게재됐다.

정밀측정 분야에서는 주로 물체에 입사하는 빛의 간섭현상을 이용해 물체의 두께나 굴절률을 측정하는데 이 과정 중 간섭현상이 유지되는 결맞음시간이 측정의 정밀도에 영향을 미친다. 연구팀은 거시세계에서 알려진 빛의 특성과 미시세계의 광자의 움직임은 다를 것이라는 가정으로부터 연구를 시작했다. 그 결과 기존 정밀측정기기에 쓰이는 빛의 결맞음 시간보다 더 짧은 결맞음시간이 존재함을 알아냈다.

결맞음시간과 광학기기의 분해능은 반비례 관계에 있어, 이번에 알아낸 가장 짧은 결맞음시간을 갖는 조건은 광학측정기기 해상도 향상을 위한 원리로 응용될 것으로 기대된다.

빛의 간섭현상을 이용해 물체의 두께를 측정하는 경우, 물체의 양쪽 표면에서 각각 발생하는 간섭신호를 서로 구분해야 하는데 결맞음시간이 긴 경우 각각 표면에서의 간섭신호가 겹쳐 구분이 어렵다. 반면 결맞음시간이 짧으면 각각의 신호가 겹치지 않아 구분이 쉽기 때문에 보다 정밀한 측정이 가능하다는 설명이다.

김 교수는 “광자들이 보이는 결맞음시간의 다양성을 관측함으로써 광자의 양자역학적 특성을 규명했을 뿐만 아니라 양자측정기기 개발을 위한 필수적인 핵심원리를 제시한 것”이라고 밝혔다.

* 광자(光子, photon) : 빛을 구성하는 근본입자로 GPS나 초정밀 원자시계 등에 이용되며 향후 양자암호나 양자컴퓨터 등에 응용될 것으로 주목받고 있다.
* 양자측정기기 : 레이저나 형광등 같은 광원 대신 광자를 이용하여 물체의 세부 구조를 측정하는 기기. 기존 광학 측정기기의 분해능 한계를 극복할 것으로 주목받고 있다.
* 간섭현상(interference) : 두 개 이상의 빛이 한 지점에서 만나 상호작용할 때 진폭이 합쳐지거나 상쇄되어 빛의 밝고 어두운 무늬가 나타나는 현상. 광학 단층촬영 장치, 자이로스코프, 중력파 검출장치와 같은 정밀측정 장치에 이용된다.
* 결맞음시간(coherence time) : 빛이 두 경로를 통과하는 시간차이가 커지면 간섭현상이 점차 사라지는데 간섭현상이 유지되는 시간차이

노미란 기자 asiaroh@asiae.co.kr