플라즈몬의 놀라운 가능성

미세한 구조에 전자파를 압축하는 기술의 등장으로 신형 초고속 컴퓨터 칩과 고감도 분자검출기를 생산할 수 있을 것이다.
글 | Harry A. Atwater












빛은 뛰어난 정보 운반 매체이다.

현재 지구 곳곳을 연결하고 있는 광섬유를 통해서 방대한 음성통신을 송수신하고 대용량 데이터를 운반하는 광신호전송이 이뤄지고 있다. 어떤 학자들은 광섬유의 엄청난 전송용량을 근거로 들면서 언젠가는 가시광선 및 전자파를 전달하고 조정하는 광소자로 전자회로를 대체하여 마이크로프로세서와 다른 컴퓨터 칩에 사용할 수 있을 것이라고 예측했다. 안타깝게도 광소자는 회절한계(diffraction limit) 때문에 크기와 성능의 제한이 있다. 서로 근접하고 있는 광파 사이의 간섭 때문에 광소자를 운반하는 광섬유의 폭은 최소한 재료 안을 통과하는 빛의 파장의 반은 돼야 한다. 칩에 내장할 광신호의 경우 대체로 약 1500나노미터(10억 분의 1미터)의 근적외선 파장을 사용하는데, 실리콘 직접회로의 트랜지스터 중에는 100나노미터보다 훨씬 작은 것이 존재하므로 광신호를 사용할 때 요구되는 최소폭이 현재 사용 중인 가장 작은 크기의 전자소자보다도 훨씬 크다.

그렇지만 최근 과학자들이 미세한 나노스케일 구조를 통해서 광신호를 전달하는 신기술 개발에 매진하고 있다. 1980년대, 연구자들이 적당한 환경에서 공기나 유리 같은 비전도성 물질인 유전체와 금속 사이에 형성되는 경계면에 광파를 조사하면 광파와 금속 표면에서 자유롭게 움직이는 전자 사이의 공명작용을 유발할 수 있다는 것을 실험을 통해서 확인했다. (전도성 물질의 경우 전자가 개개의 원자나 분자와 강하게 결합하고 있지 않다.) 다시 말하면 표면에서의 전자 진동은 금속 바깥쪽의 전자기장의 진동과 동조를 이룬다. 그 결과 표면 플라즈몬이 생성된다. 표면 플라즈몬이란 연못에 돌을 던졌을 때 수면에 퍼져가는 잔물결처럼 경계면을 따라 진행하는 전자의 밀도파를 일컫는 용어이다.

지난 10년 동안 연구자들은 금속과 유전체의 경계면을 창의적으로 설계해 외부 전자파와 같은 주파수를 갖지만 파장은 훨씬 짧은 표면 플라즈몬을 생성할 수 있었다. 표면 플라즈몬이 발생하면 인터커넥트(interconnects)라는 나노와이어(nanoscale wires)를 따라 플라즈몬이 이동하면서 마이크로프로세서의 한 부분에서 다른 부분으로 정보를 운반할 수 .....