[G.N.B.T Special & Subwanelength Optics]
서울대학교 물리천문학부 김대식 교수
 ▲서울대학교 물리천문학부 김대식 교수 |
세계 최초 ‘빛의 자기장 편광` 측정
서울대 물리천문학부 김대식 교수팀은 빛의 자기장 편광(偏光)을 측정할 수 있는 나노 분석기를 개발했다. 편광은 빛의 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 진동 방향이 일정한 빛을 의미하고 이 진동 방향을 빛의 편광 방향이라고 한다. 지금까지 빛의 자기장 편광 측정은 사실상 불가능하다고 여겨져 왔는데, 가시광선 영역에서 빛의 자기장이 일반적인 물질과 반응하지 않는 특성을 가지고 있기 때문이다. 이로 인해 자기장 편광을 정확히 알기 위해서는 전기장 편광을 측정한 후 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)을 이용해 간접적으로 자기장 정보를 얻어야 하는데, 이 방법은 전기장의 편광 방향뿐만 아니라 위상 정보까지 필요로 하는 어려움이 있다.
자기장 편광을 측정하기 위한 복잡한 시스템과 오랜 측정 시간이 단점으로 제기되고 있는 가운데, 김 교수팀은 빛의 파장보다 작은 구멍을 이용해 자기장 편광을 분석할 수 있다는 사실을 발견했다. 이번 연구결과는 과학전문지 `네이처'의 온라인 자매지인 `네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 8월 23일자에 게재되었다. 김 교수팀은 금속평면 위에 빛의 파장보다 작은 크기의 구멍(Bethe hole)이 있을 때, Bethe hole과 빛이 반응해 만드는 표면 전류의 방향이 빛의 자기장 방향과 연관성이 있다는 사실에 주목했다. 이 가설에 근거하여 금속 표면에 파장의 1/10 만큼의 크기를 가지는 hole을 제작해 빛과의 반응을 연구한 김 교수팀은, Bethe hole이 빛의 자기장과만 반응해 빛을 투과시킨다는 사실을 직접 확인했다. 더불어 일반 광학현미경으로는 측정이 불가능한 근접장 현상을 측정할 수 있는 근접장 광학현미경 탐침에 Bethe hole을 결합하여 세계 최초로 자기장의 편광을 측정할 수 있는 편광분석기를 제작했으며, 이를 이용해 서로 평행한 방향으로 진동하는 전자기장을 가진 정상파의 자기장 성분을 측정하는데 성공했다.
그동안 미지의 영역으로 여겨졌던 빛의 자기장 편광 방향을 측정하고, 파장 이하의 분해능을 가진 자기장 편광 분석기를 개발하는 데 성공한 이번 연구에 대해 김대식 교수는 “현재까지 이론으로만 믿었던 것을 직접 볼 수 있는 새로운 눈이 생겼습니다.”라며 “자기장 조절 메타물질이나 나노플라즈모닉스 소자 개발에 응용될 수 있을 것입니다."라고 기대감을 내비쳤다. 연구결과에 대한 기쁨에 젖어있기 보다는 후속연구에 대한 책임감을 느끼고 있는 그는 향후 물질의 자기장과 빛의 자기장이 결합하는 접점을 찾는 연구와, 나노구조에서 빛의 전기장과 자기장을 따로 관측할 수 있는 연구를 진행할 예정이다.
“기초과학은 자신만의 집을 짓는 것”
기초과학은 인간들의 지적인 호기심과 문화적인 활동의 기반이기 때문에 처음부터 응용의 목적으로 연구되는 것은 아니지만, 모든 응용과학의 씨앗이 되는 분야이다. 현재 정부에서도 '국제과학비즈니스벨트'를 설립하여 기초과학과 비즈니스가 융합된 국가성장네트워크를 구축하는데 발 벗고 나서는 중이다. 이에 김대식 교수는 “이제는 국가적으로 기초연구의 본질을 깨닫고, 이를 육성하기 위한 희망적인 노력들이 계속되고 있어 기초과학 연구자 중의 한명으로서 행복합니다.”라며 “기초과학의 중요성을 알리는 단계에서 벗어나, 기초과학에서 한국에서 시작된 분야도 생겨날 수 있도록 정부와 연구자들이 함께 노력해야 합니다.”라고 덧붙였다. 모든 시설이 갖춰진 빌딩에 입주하여 동등한 위치의 연구자들과 치열한 경쟁에서 두각을 나타내는 것이 응용과학이라면, 사람의 손길이 느껴지지 않는 공터에 손수 기틀을 마련하고 한 장 한 장 벽돌을 쌓는 연구가 기초과학이라고 설명한 그는, 기초학문의 특성상 창의적인 아이디어와 끊임없는 도전정신이 뒷받침돼야 한다고 강조했다. 더불어 후학들을 향해 “실험실 수준의 연구에 안주하려 하지 말고, 젊은이의 패기를 바탕으로 교수를 뛰어넘는 연구에 과감히 도전할 것을 당부합니다.”라고 조언의 말을 잊지 않았다. 우리나라가 과학강국으로 도약하는데 있어 자양분 역할을 마다하지 않는 김대식 교수. 그의 노력으로 새로운 분야의 기초과학이 뿌리내리고, 싹을 틔워 열매 맺기를 희망한다.
