Colossal Absorption of Molecules Inside Single Terahertz Nanoantennas

김대식 교수 연구팀은 테라헤르츠 영역에서 흡수 스펙트럼을 지니는 분자를 같은 공명 주파수를 가지는 50 nm 너비의 금속 나노 구멍 안테나(Nano slot antenna) 안에 넣었을 때 그 분자의 흡수 계수(absorption coefficient)가 3000배 이상 증가한다는 것(~170,000 cm-1)을 관측하였다. 이는 나노 구멍 안테나 안에서 전기장은 2500배 이상 집속되는 반면에 자기장은 2배 이하로 거의 변하지 않기 때문에 생기는 현상이다. 전기장과 자기장의 극한의 비대칭적 상황에서 분자당 흡수되는 에너지를 고려해보면, 빈 공간에 있을 때보다 나노 안테나 안에서 분자의 테라헤르츠파 흡수 에너지가 천만 배 늘어난 결과라 해석될 수 있다. 본 연구팀은 이러한 현상을 이용하여 수십 나노 그램의 RDX 및 Lactose 분자를 검출하였으며, 실제로 안테나 안에서 반응하는 분자들의 양은 수십 펨토 그램에 불과하다는 것을 확인하였다.
본 연구의 결과는 앞으로 테라헤르츠파에 흡수 스펙트럼을 지니는 극소량의 생분자(bio-molecule) 또는 화학분자(chemical molecule)의 검출 또는 흡수 특성을 연구하는데 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.