경기대학교(총장 직무대행 김현수) 창의공과대학 전자공학부 박상윤 교수 연구팀(제1저자 민선홍 겸임교수, 교신저자 박상윤 교수)이 전자가 가진 미세한 '소용돌이 위상 정보'를 전자기파(빛)의 나선 모양과 회전 성질로 바꾸어 읽어내는 기술을 세계 최초로 구현했다.

이번 연구 성과는 광학 분야 세계 최고 권위의 국제 학술지인 『Opto-Electronic Advances』(임팩트 팩터 22.4, JCR 광학 분야 상위 3% 이내) 온라인판에 게재됐다.

전자의 진행 방향을 따라 위상이 나선형으로 꼬여 있는 '소용돌이 전자'는 기존 방식보다 훨씬 많은 정보를 담을 수 있는 장점이 있다. 그러나 전자 입자가 매우 미세하여 외부에서 그 위상 정보를 손상 없이 정밀하게 측정하는 데 어려움이 있었다.

박상윤·민선홍 교수 연구팀은 특수 제작된 금속 구조를 통과할 때 빛을 방출하는 현상(체렌코프 방사)을 활용해 이 한계를 극복했다. 연구팀은 고리 모양의 소용돌이 전자빔을 구조에 통과시켜, 전자가 가진 나선형 위상 정보를 전자기파의 궤도각운동량(OAM)과 편광 스커미온 구조라는 두 가지 고유한 형태의 빛으로 동시에 변환하고 판독하는 전자-전자기장 위상전달 인터페이스를 성공적으로 구축했다.

이번 연구는 미세한 전자와 전자기파라는 서로 다른 두 물리적 운반체 사이에서 위상 정보를 손실 없이 연결할 수 있음을 실험적으로 증명했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이를 차세대 단일 입자 수준 기술로 발전시킬 경우, 보안성이 뛰어난 양자통신과 초고속 데이터 전송, 미세 영역을 측정하는 초정밀 양자센서 등 차세대 양자 정보 기술 구현에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 민선홍 경기대 교수는 “보이지 않는 전자의 나선형 위상 구조를 빛의 회전 특성으로 변환해 정확히 읽어낼 수 있음을 입증한 원리 검증 성과”라며, “향후 모드 순도와 효율을 높여 차세대 양자정보 인터페이스 기술로 발전시켜 나갈 것”이라고 말했다.

연구 총괄을 맡은 박상윤 경기대 교수는 “서로 다른 물리적 운반체인 전자와 전자기파 간의 위상 구조를 성공적으로 연결했다는 점이 핵심”이라며, “향후 구조화된 전자기파원과 양자통신·정밀 양자센싱용 변환 플랫폼을 설계하는 중요한 기초 원리로 활용할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 경기대학교를 중심으로 서울대학교, 차세대융합기술연구원, 기초과학연구원(IBS), 한국원자력의학원, 삼성전자, 한화에어로스페이스, 우즈베키스탄 사마르칸트국립대학교 등이 공동으로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.