Geometrical Control of Terahertz Field Enhancement in nano gaps

Abstract

본 논문에서는 나노 슬랏 안테나 혹은 나노 슬릿의 구조에 따른 테라헤르츠 전기장 집속율 변화를 탐구하였다. 나노 갭의 사이즈는 수 백 나노미터부터 1 나노미터까지 다양하게 제작하였으며 이는 파장보다 1,000 배부터 1,000,000 배까지 작은 구멍을 구현한 것으로 볼 수 있다. 길이가 수 백 마이크로미터이고 폭이 수 백 나노미터인 나노 슬랏 안테나의 경우 테라헤르츠 주파수 대역에서 강한 투과 공명 현상이 일어나는데 이는 테라파의 전기장이 갭에 강하게 집속되기 때문이다. 이때 공명 주파수는 주로 직사각형 구멍의 길이에 의해 정해지며 집속율은 직사각형 폭이 줄어들수록 증가한다. 본 논문에서는 이러한 나노 슬랏 안테나를 폭 방향으로 나란히 정렬하고 슬랏 안테나 사이의 거리를 변화시켜 슬랏 안테나 사이의 전자기학적 상호작용에 따른 테라파 전기장 집속율의 변화를 탐구하였다. 여기서 슬랏 안테나 사이의 거리는 파장보다 수 백배 작은 2 마이크로미터까지 줄일 수 있는데 이를 통해 슬랏 안테나 사이의 강한 상호작용을 구현할 수 있다. 강한 상호 작용의 효과로 나노 슬랏 안테나가 넓은 테라헤르츠 주파수 영역대에서 반응함을 관측하였고 이는 마이크로미터 갭을 지닌 슬랏 안테나에서는 볼 수 없는 새로운 현상이다. 또한 슬랏 안테나 사이의 전자기학적 상호작용이 거리에 따라 진동하며 감쇠하는 성질을 이용하여 슬랏 안테나의 공명 주파수와 전기장 집속율을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 한편, 나노 슬릿은 일차원 구조로써 나노갭에서 테라파가 어떻게 투과하는지를 살펴보기 가장 좋은 구조라고 할 수 있다. 본 논문에서는 수 밀리미터 길이와 수 나노미터 갭 크기를 가진 나노 슬릿을 제작하여 갭 크기가 파장보다 1,000,000 배 작은 구조를 구현하였다. 나노 갭에 테라파를 입사시켜 전기장 집속율을 측정한 결과, 갭 크기가 수 십 마이크로미터에서 수 십 나노미터로 줄어들 때 테라헤르츠 전기장 집속율은 점점 증가하다가 수 나노미터까지 줄어들면 집속율이 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지되는 것을 실험을 통해 확인하였다. 테라파의 전기장 집속 현상은 입사하는 테라파의 자기장에 의해 유도된 표면 전류로 인해 갭 주변에 전하가 모이면서 일어나는데, 이때 유도되는 전하의 총량은 입사하는 빛의 자기장에 의해 결정되므로 구조에 따라 변하지 않는다. 하지만 갭 크기가 줄어들수록 유도된 전하는 갭 가까이에 모이게 되어 단위 면적 당 전하량이 증가하여 전기장 집속율이 증가하게 된다. 따라서 전기장의 집속율이 더 이상 변하지 않는 것은 갭 가장자리에 대부분의 전하가 모여있는 것을 의미하고 이는 전기장 집속율의 극한 값에 도달하였음을 의미한다. 이러한 나노 갭의 구조에 따른 테라파의 전기장 증폭율 변화에 대한 연구는 나노미터 구멍에서 빛이 투과하는 현상을 물리적으로 깊이 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 나노미터 스케일의 광학 소자 개발 및 응용에 활용 될 수 있을 것이다.