초록 ▼

본 과제에서는 각종 불균일한 메타물질에서 일어나는 독특한 전자기파 전파 현상과 비선형 광학적 성질의 증대 현상에 관해 이론적으로 연구하였다. 메타물질의 표면에 여기되는 표면파, 불균일한 메타물질 내부에서 횡파가 종파로 변환되는 모드변환, 무질서한 메타물질에서 전자기파의 앤더슨 국소화 현상 등 세 가지 현상에 특별히 중점을 두고 정확한 계산을 통한 자세한 이론적 분석을 수행하였다. 또한 새로운 이론적 계산 방법의 개발, 메타물질에서의 결함 상태의 특성, 메타물질에서 광학적 위상공액의 증대 현상에 관한 연구도 병행하여 수행하였다. 이론

본 과제에서는 각종 불균일한 메타물질에서 일어나는 독특한 전자기파 전파 현상과 비선형 광학적 성질의 증대 현상에 관해 이론적으로 연구하였다. 메타물질의 표면에 여기되는 표면파, 불균일한 메타물질 내부에서 횡파가 종파로 변환되는 모드변환, 무질서한 메타물질에서 전자기파의 앤더슨 국소화 현상 등 세 가지 현상에 특별히 중점을 두고 정확한 계산을 통한 자세한 이론적 분석을 수행하였다. 또한 새로운 이론적 계산 방법의 개발, 메타물질에서의 결함 상태의 특성, 메타물질에서 광학적 위상공액의 증대 현상에 관한 연구도 병행하여 수행하였다. 이론적 계산은 불변 끼워넣기 방법을 주로 사용하였고, discrete 비선형 슈뢰딩어 방정식을 이용한 방법과 FDTD 방법도 함께 사용하였다. 표면 플라즈몬이나 Tamm 플라즈몬등의 표면파가 여기되거나, 모드변환 또는 앤더슨 국소화 현상이 일어날 때는 모두 국소 전자기장이 매우 증대되는 행동을 보인다. 국소 전자기장의 증대는 광학적 비선형성의 증대를 야기하므로 이런 현상들을 이용하여 비선형 광특성을 크게 증대시킬 수 있다. 특히 대표적인 비선형 광학적 현상들인 광쌍안정성 및 광이력 현상을 자세하게 분석하여 메타물질에 기초한 새로운 광소자 개발의 아이디어를 도출하였다. 구체적인 연구 성과로는 일차원 광자결정 구조에서 Tamm 플라즈몬의 여기에 따른 비선형 광학적 성질의 거대한 증대 현상, 표면 플라즈몬 여기에 따른 광학적 쌍안정성 및 Goos-Hänchen 효과의 증대 현상, 플라즈마의 밀도가 무질서하게 변화하는 매질에서 일어나는 새로운 모드변환 현상, 모드변환 현상에 매질의 온도가 미치는 영향, 유전율과 투자율이 공간적으로 무질서하게 변화하지만 파동 임피던스는 균일한 값을 갖는 메타물질에서 일어나는 독특한 앤더슨 국소화 현상, 비선형 이득을 나타내는 무질서한 증폭 매질에서 일어나는 앤더슨 국소화 현상, 무질서한 비선형 광격자에서 많은 vortex, antivortex 쌍들이 자발적으로 생성되는 현상, nonlocal nonlinearity를 갖는 일차원 비선형 격자계에서의 파동전파 및 국소화 현상,카이랄 매질로 이루어진 한 개의 결함을 포함하는 광자결정에서 이중 결함 상태가 나타나는 현상, 다양한 종류의 비선형 메타물질에서 일어나는 증대된 광학적 위상공액 현상 등에 관한 수치계산과 이론적 분석을 수행하여 10편의 논문으로 발표하였다. Tamm 플라즈몬의 여기에 따른 비선형 광특성의 증대 현상, 비선형 메타물질에서 일어나는 증대된 광학적 위상공액 현상, 카이랄 매질로 이루어진 결함을 포함하는 광자결정에서 이중 결함 상태가 나타나는 현상 등에 관한 연구결과들은 향후 실험으로 검증되어 효율적인 새로운 광소자 개발에 유용하게 쓰일 수 있다. 균일한 임피던스를 갖는 무질서한 메타물질에서 일어나는 앤더슨 국소화 현상에 관한 결과를 포함한 다수의 연구 결과들은 지금까지 고려된 적이 없는 새로운 물리현상들에 관한 흥미있는 아이디어와 연구 방향을 제시한다. 메타물질 분야는 전세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있는 매우 중요한 분야로서 본 과제의 결과는 물리 현상의 이해, 새로운 현상의 발견 등을 통해 학문 발전에 크게 기여하고, 메타물질을 이용한 유용한 광소자의 개발에 널리 응용될 수 있을 것으로 기대된다.