Electromagnetic saturation of angstrom-sized quantum barriers at terahertz frequencies, Phys. Rev. Lett. 115. 125501 (2015)

나노광학의 다음 단계인 옹스트롬광학은 단순히 1 나노미터보다 10배 작은 단위에서 그치지 않고 전자 터널링과 같은 양자역학적 효과가 비로소 나타나는데 이를 밀리미터파인 테라헤르츠파와 같은 긴 파장대를 포함한 넓은 전자기파 영역에서 탐구하기 위해서는 입사하는 전자기파의 빔 사이즈보다 넓은 면적의 금속 필름에 옹스트롬 틈이 배열된 구조 제작이 필요하다.
본 연구에서는 평행하게 배열된 두 금속 필름 사이에 원자 크기인 0.1 나노미터 틈을 만들기 위해 이차원 물질인 그래핀을 수직으로 세워 금속 틈 사이에 끼워 넣은 구조를 제작하였다. 그래핀과 금속 사이에 존재하는 0.1 나노미터의 반데르발스 틈이 빛을 집속할 수 있는 가장 작은 공간이 되는데 이 틈을 수 밀리미터로 길게 만들고 틈 이외의 부분은 금속으로 채워 테라헤르츠파를 강하게 집속하는데 성공하였다.
연구팀은 옹스트롬 틈 내부에서의 테라헤르츠파 초집속으로 인해 틈 사이에 전기장이 최대 17 V/nm까지 걸리는 것을 관측하였고 입사하는 테라헤르츠파의 세기가 증가할수록 전기장 집속도가 현저하게 줄어들면서 강한 광학적 비선형성이 나타남을 관측하였다. 이러한 비선형 현상은 옹스트롬 크기의 금속 틈 사이로 빛이 집속될 때 두 금속 사이 형성된 포텐셜 장벽의 한 쪽 방향으로 전자의 터널링이 우세하게 일어나면서 나타남이 규명되었다. 본 연구에서 제안된 옹스트롬 구조 플랫폼은 전자기장의 양자역학적 효과를 극대화하여 양자스케일 광학을 이해하는데 기반을 마련하고 이를 바탕으로 기존의 물리적 한계를 극복한 새로운 광/전자소자를 개발하는데 발판이 될 것으로 기대된다.