투과 전자현미경. BP의 조절 가능한 나노스케일 형상 제어에 관한 현재의 연구 결과는 독특한 물리 현상에 대한 가능성을 제공하고, 2D 물질을 위한 광학 리소그래피 기술의 추가 발전을 촉진할 것이다.

나노스케일 입자 및 구조는 분자 원편광이색성(Circular dichroism, CD) 신호의 약점을 극복할 수 있다는 점에서 원편광이색성(CD) 분광법에 대한 가능성을 지닌다. 나노포토닉 CD 증강을 특성화하고 분자 키랄리티를 효과적으로 향상시키는 방법을 찾기 위해 상당한 노력이 이루어졌으나, 최선의 해결책은 아직까지 제시되지 못했다. 본 논문에서는 전형적인 나노입자의 나노포토닉 CD 증강에 관한 엄밀한 해석학적 연구를 제시한다. 키랄 분자로 캡핑된 금속 및 유전체 나노입자를 고려하고, 다중극자성 나노입자가 분자 CD에 미치는 영향을 분석한다. 입자의 전기적 및 자기적 공명에 의해 기인하는 분자 CD의 스펙트럼 특징을 규명하고, 분자 키랄리티를 증강하기 위한 더 나은 방법을 제안한다. 또한 입자의 산란 및 흡수가 분자 CD에 기여하는 바와 입자 크기에 따른 의존성을 명확히 한다. 본 연구는 나노포토닉 CD 증강에 대한 정확한 해석학적 접근법을 제공하며, 민감한 분자 키랄리티 검출을 위해 가장 효율적인 입자를 선택하는 규칙을 제시한다.

주파수 및 입사각에 무관하게 음향파의 완전한 반사방지(anti-reflection)를 가능하게 하는 메커니즘을 제시한다. 서로 다른 두 음향 매질 사이의 평면 계면에서 발생하는 반사를, 임피던스 불일치를 보상하는 비국소(nonlocal) 메타물질을 추가함으로써 제거할 수 있음을 보인다. 비국소 메타물질이 구비해야 하는 특성은 시공간적으로 분산하는 질량 밀도 및 체적 탄성률을 통해 명시적으로 규정한다. 정합층의 두께에 따라 시공간 분산의 특성을 분석한다. 기존의 정합층이 유발하는 전반사(total internal reflection) 문제를 논의하고, 본 연구의 비국소 정합층이 이를 어떻게 회피하는지 설명한다. 메타물질을 활용한 본 비국소 층의 실제 설계 방법을 설명한다. 유한요소법을 이용한 명시적 수치 계산을 통해 제안된 반사방지 정합층의 전방향·주파수 비의존적 거동을 확인하고, 이를 기존의 1/4파(quarter-wave) 정합층 접근법과 비교한다.

투과 전자현미경. BP의 조절 가능한 나노스케일 형상 제어에 관한 현재의 연구 결과는 독특한 물리 현상에 대한 가능성을 제공하고, 2D 물질을 위한 광학 리소그래피 기술의 추가 발전을 촉진할 것이다.

나노스케일 입자 및 구조는 분자 원편광이색성(Circular dichroism, CD) 신호의 약점을 극복할 수 있다는 점에서 원편광이색성(CD) 분광법에 대한 가능성을 지닌다. 나노포토닉 CD 증강을 특성화하고 분자 키랄리티를 효과적으로 향상시키는 방법을 찾기 위해 상당한 노력이 이루어졌으나, 최선의 해결책은 아직까지 제시되지 못했다. 본 논문에서는 전형적인 나노입자의 나노포토닉 CD 증강에 관한 엄밀한 해석학적 연구를 제시한다. 키랄 분자로 캡핑된 금속 및 유전체 나노입자를 고려하고, 다중극자성 나노입자가 분자 CD에 미치는 영향을 분석한다. 입자의 전기적 및 자기적 공명에 의해 기인하는 분자 CD의 스펙트럼 특징을 규명하고, 분자 키랄리티를 증강하기 위한 더 나은 방법을 제안한다. 또한 입자의 산란 및 흡수가 분자 CD에 기여하는 바와 입자 크기에 따른 의존성을 명확히 한다. 본 연구는 나노포토닉 CD 증강에 대한 정확한 해석학적 접근법을 제공하며, 민감한 분자 키랄리티 검출을 위해 가장 효율적인 입자를 선택하는 규칙을 제시한다.

주파수 및 입사각에 무관하게 음향파의 완전한 반사방지(anti-reflection)를 가능하게 하는 메커니즘을 제시한다. 서로 다른 두 음향 매질 사이의 평면 계면에서 발생하는 반사를, 임피던스 불일치를 보상하는 비국소(nonlocal) 메타물질을 추가함으로써 제거할 수 있음을 보인다. 비국소 메타물질이 구비해야 하는 특성은 시공간적으로 분산하는 질량 밀도 및 체적 탄성률을 통해 명시적으로 규정한다. 정합층의 두께에 따라 시공간 분산의 특성을 분석한다. 기존의 정합층이 유발하는 전반사(total internal reflection) 문제를 논의하고, 본 연구의 비국소 정합층이 이를 어떻게 회피하는지 설명한다. 메타물질을 활용한 본 비국소 층의 실제 설계 방법을 설명한다. 유한요소법을 이용한 명시적 수치 계산을 통해 제안된 반사방지 정합층의 전방향·주파수 비의존적 거동을 확인하고, 이를 기존의 1/4파(quarter-wave) 정합층 접근법과 비교한다.

저차원 물질의 발견은 물리학과 재료과학 분야에서 큰 관심을 받아 왔다. 광학 유전율(optical permittivity)은 물질의 전자 구조에 대한 광학적 지문이며, 따라서 물질의 특성을 연구하는 데 있어 중요한 매개변수이다. 분광 타원법(spectroscopic ellipsometry)은 새롭게 발견된 물질의 광학 유전율 스펙트럼을 얻기 위한 빠르고 견고하며 비침습적인 방법을 제공한다. 원자층 수준으로 얇은 저차원 물질은 그 내부에서 수직 방향 광 경로 길이가 극도로 짧기 때문에, 저차원 물질의 분광 타원법은 기존의 타원법(traditional ellipsometry)과 비교하여 독특하다. 여기에서는 2차원(2D) 물질에 대한 분광 타원법의 기본 원리를 소개하고, 최근의 연구 진행 상황을 검토한다. 또한 저차원 물질을 위한 분광 타원법에서의 기술적 과제와 향후 방향에 대해 논의한다.

유한차분시간영역(finite-difference time-domain, FDTD) 방법에서 근거리-원거리(near-to-far field, NTFF) 변환의 정확도를 향상시키기 위한 효율적인 기법을 제시한다. 위상천이 FFT 보간을 통합함으로써, 본 접근법은 시뮬레이션된 근거리장 데이터를 기반으로 한 원거리장 예측의 정밀도와 신뢰성을 유의미하게 향상시킨다. 제안된 방법은 포괄적인 시뮬레이션을 통해 엄격하게 검증되었으며, 기존 기법 대비 최소 25% 이상의 정확도 향상이 있음을 보여주었다. 이러한 발전은 계산 부담을 증가시키지 않으면서도 보다 정밀한 원거리장 예측을 가능하게 하여, 전자기 시뮬레이션을 위한 유용한 도구가 된다.

두 차원(2D) 물질의 경계에서 폴라리톤 거동을 이해하는 것은 중요하지만 아직 해결되지 않은 문제이다. 본 연구에서는 비정상 입사각(비스듬한 입사) 하에서 폴라리톤의 반사 및 투과 계수에 대한 해석적 설명을 제시하여, 폴라리톤에 맞춘 프ネル(Frensel) 공식을 정립한다. 경계에서 산란된 장이 소산성(에바네센트) 또는 복사성(라디에이티브) 여부와 무관하게 폴라리톤과 결합함을 보이며, 그 결과 반사 및 투과된 폴라리톤에 위상 천이가 유도되고, 폴라리톤의 경계에 수직한 방향 운동량이 허수량에 해당하는 만큼 변화한다. 이러한 경계에서의 폴라리톤 동역학은 브루스터와 유사한 효과, 전반사 없이 나타나는 고스-한셴(Goos-H"anchen) 효과, 그리고 폴라리톤의 교차 편광 결합을 포함한 다양한 특징을 유발한다. 폴라리톤 동역학에 대한 본 해석적 이해는 2D 물질을 활용하는 향후 폴라리톤 소자 개발에 적용될 수 있다.

전기통신에서 효율적인 에너지 전달은 매우 중요하다. 따라서 광대역의 비반사(nonreflective) 전송을 달성하는 도파관 커플러를 제작하는 것은 어려운 과제이다. 실리콘 기반 집적 광학 회로의 발전과 더불어 파이버-투-칩(fiber-to-chip) 커플링의 중요성은 점점 더 커지고 있다. 파이버-투-칩 커플링을 위한 다양한 커플러가 개발되었음에도 불구하고, 이들은 종종 긴 결합 길이, 낮은 결합 효율, 좁은 대역폭과 같은 한계를 가진다. 이는 두 도파관 사이의 반사를 제거할 수 없기 때문이다. 본 연구에서는 두 도파관 사이의 반사를 제거하기 위해 범용 임피던스 정합 이론과 변환 광학(transformation optics)을 사용하는 방법을 제안한다. 이 방법을 이용한 ‘범용 임피던스 정합 커플러’(universal impedance matching coupler)는 최단의 준파장(subwavelength) 결합 길이, 99.9%의 결합 효율, 그리고 넓은 대역폭을 가진다.