기초과학

이론적 한계를 극복한 초고민감도 나노 검출 신기술 제안

발행일 : 2018 / 12 / 06

최근 후난(湖南)사범대학 징후이(景輝) 교수는 정적상태 공동 검출의 이론적 한계를 극복한 새로운 방안을 제안하였다. 동 방안은 회전 환상 광학 미세공동을 이용해 민감도를 기존 정적상태 공동 검출 최고수준의 3배에 도달시켜 보다 작은 나노입자 검출이 가능해졌다. 해당 성과는 “Journal Optica”에 게재되었다. 해당 연구는 민감성 검출 기술 영역에 실용적 가치가 있을 뿐만 아니라 신형 회전 공동 인공 양자장치 기술을 위한 길을 개척하였다.

나노입자 또는 바이러스분자 민감성 검출 기술은 환경 모니터링, 의학 진단, 대테러 안전 등 다양한 영역에 실용적 가치가 크다. 일례로 대기 오염물질속 나노 부유매진은 인체 폐세포 및 혈뇌장벽으로의 침투가 가능해 PM2.5 입자에 비해 인체건강에 주는 위협이 더 크다. 현재 최고 민감도를 보유한 광학센서는 10nm 크기의 미세입자를 검출할 수 있는데 이는 이론적 한계에 근접한 상황이다.

광학센서의 작동원리는 다음과 같다. 미세입자는 센서에 접근시 빛의 전파에 영향을 미치는데 광출력도 따라서 영향을 받는다. 광학센서는 출력단말에서의 광학 출력 변화 측정을 통해 미세입자에 대한 검출을 달성한다. 하지만 입자가 작을수록 광학 출력 변화가 미약해져 검출의 어려움이 더 커진다. 현재 실험학적 차원에서 광학 소산 억제 또는 센서 부피 감소 등 방법을 통해 민감도를 높이고 있지만 빛의 소산 또는 장치 부피를 무제한적으로 줄일 수 없는 상황에서 이 같은 기술적 방안은 이론적 한계가 있다.

징후이 교수는 상대론적 사냑효과(Sagnac effect)를 이용해 정적상태 광학 공동 양자 검출의 이론적 한계를 극복한 회전 광학 미세공동 방안을 획기적으로 제안하였다. 광학 소산 또는 장치 부피에 의존하지 않고 기계 회전속도에만 의존하는 해당 방안은 정지상태 광학 센서에 비해 미세입자가 빛에 미치는 영향을 강화시킴으로써 광학 출력의 변화를 증폭시켰고 나아가 양자 검출의 이론적 한계를 극복함으로써 초고민감도 검출을 구현하였다.