광(光) 손실과 광 증폭을 나노 포토닉스 기술을 이용하여 정밀하게 조절하면 비-허미션(non-Hermitian) 현상이라는 새로운 물리적 현상을 관측할 수 있고 이를 통해 차세대 광신호 제어기술의 잠재력을 지니고 있다. 하지만, 광 손실과 증폭을 정밀하게 조절하며 실험하기에는 어려움이 있다.

최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 신희득 교수 연구팀과 한양대 물리학과 윤재웅 교수 연구팀은 비-허미션 광학 연구에 손쉽게 할 수 있는 접근 방식을 제안하고, 이를 이용해 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다.

허미션 헤밀토니안(Hermitian Hamiltonian) 연산자는 물리계의 에너지 손실이 없는 경우를 가정하고 양자 물리학의 기본 작동원리로 오랜 기간 사용됐다. 하지만 실험적으로 모든 물리계는 에너지 손실을 주고 있고, 물리연구에서는 이 손실을 단순한 불완전성으로만 취급하며 손실로 잃어버린 에너지는 증폭으로 보상해주었다.

하지만 최근에 태동한 비-허미션 물리학 영역은 손실과 증폭에 ‘불완전한 계와 수정’ 외의 새로운 역할을 부여하여 기본 작동원리를 확장하고, 허미션 헤밀토니안 물리계와 다른 물리적 현상을 보여줌으로써 차세대 신호 및 에너지 제어기술로 주목을 받고 있다.

비-허미션 물리계 중, 시공간-교환 반대칭(anti-parity-time symmetry) 계는 균형 잡힌 손실과 증폭으로 구성되고, 이 계에 에너지가 손실과 증폭을 겪으며 진행할 때 위상변위, 에너지 차이 보존, 결맞음 세기 진동과 같은 흥미로운 물리현상을 볼 수 있다. 하지만 광학 영역에서 완벽하게 균형 잡힌 손실과 증폭은 현실적으로 제작하기 어려움이 있어 에너지 차이 보존과 결맞음 광세기 진동과 같은 현상은 관측된 바 없다.

연구팀은 광통신 분야에서 널리 사용되고 있는 광섬유를 이용하여 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구축했다. 광섬유를 이용함으로써 에너지 손실이 거의 없이 상호작용 길이가 매우 긴 실험 장치를 간결한 구성으로 구현할 수 있었다. 이로써 그동안 나노 공정의 어려움으로 접근이 힘들었던 비-허미션 물리학 분야에 새로운 실험연구 방향을 제시했다.

연구팀은 제안한 방법을 이용하여 시공간-교환 반대칭 현상 중 위상변위 뿐만 아니라 긴 광섬유 덕분에 광 세기의 결맞음 진동을 광학 영역에서 최초로 관측했다. 또한, 광섬유의 저손실과 비선형 현상을 이용하여 비-허미션 계에서 중요한 보존량인 에너지-차이 보존 물리계를 광학 영역에서 처음으로 관측했다.

POSTECH 신희득 교수는 “비-허미션 물리현상 연구에 대한 효율적인 실험 플랫폼을 제공했다”며 “더 높은 차원의 비-허미션 연구에 대한 기여와 소재 개발 및 양자정보학 등 학제 간 연구에도 중요한 발판이 될 것”이라 의미를 밝혔다.

한편, 이 연구결과는 미국물리학회지 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 지난달 17일자에 발표됐다.