물리학과

연구 개요 (Research Overview)

본 연구는 테라헤르츠(THz) 대역에서 자기광학(MO) 효과를 극대화하기 위한 새로운 구조로, 에피실론 제로점 근처(epsilon-near-zero, ENZ)의 특성을 가지는 철(Fe) 슬롯 안테나 구조를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 연구진은 전자빔 리소그래피와 리프트오프 공정을 통해 다양한 슬롯 폭(20 μm ~ 300 nm)을 가지는 100 nm 두께의 철 필름 슬롯 안테나를 제작하고, THz 시간영역 분광법(THz-TDS)을 통해 패러데이 회전(Faraday rotation)을 정밀 측정하였다.

그 결과, 슬롯 폭이 1 μm일 때 Faraday 회전 각도가 가장 크게 증가(약 160% 향상)하며, 이후에는 슬롯 폭이 더 작아질수록 효과가 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 슬롯 주변의 유효 유전율이 gap plasmon 효과에 의해 증가하면서 MO 효과가 저해되는 것으로 해석된다. 특히 1 μm 슬롯에서 유효 유전율의 실수부가 0에 근접하는 ENZ 조건이 실현되며, 이때 MO 효과가 극대화되는 것을 확인하였다. 이론적 수치 시뮬레이션 결과도 실험과 정성적으로 일치하였다.

이 연구는 테라헤르츠 대역에서 MO 효과를 강화하기 위한 슬롯 안테나 설계 시, 유효 유전율 및 구조적 파라미터의 정밀한 제어가 필수적임을 보여주며, 향후 THz 광 아이솔레이터, 센서, 스핀트로닉스 기반 소자 설계에 중요한 설계 기준을 제공한다.

원문링크 : https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0665

Keywords: terahertz metasurface; terahertz magneto-optics; epsilon-near-zero; Faraday rotation; gap plasmon effect; effective dielectric constant