수상자 상세정보
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광학적 무반사와 광학적 진공의 실험적 극한에 도전하여 약한 세기의 빛-물질 상호작용 연구의 새로운 방법론과 가능성을 제시
서민교 교수는 실험적으로 완전한 광학적 무반사를 얻었고, 완전한 광학적 무반사가 가능한 수학적 조건이 외부 자극에 따라 준입자적 거동을 보이는 새로운 형태의 광학적 소용돌이를 수반함을 밝혔다. 또한 광학적 무반사를 이용해 원자적 두께를 가지는 매질*의 약한 빛-물질 상호작용 현상을 간단하면서도 매우 정밀하게 측정하거나, 광학적 진공을 새로운 광전자/양자광학 소자 개발에 응용할 기반을 마련.하였다.
서민교 교수는 “이번 연구는 기존 빛-물질 상호작용 연구에 크게 활용되지 못했던 광학적 무반사나 광학적 진공이 오히려 고정밀 측정과 다양한 물성의 발현 등에 장점이 있음을 알리고, 그 극한을 이론적 계산에 머물지 않고 실험적으로 실현한 데 의의가 있다”라며 “앞으로 광학과 물리학 연구 개발에 새로운 방법론과 자유도를 가져다줄 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
5월 16일은 1960년 레이저 발진에 성공한 날을 기념하며 제정된‘세계 빛의 날’입니다. 5월의 이달의 과학기술인상 주인공 서민교 교수는 빛을 다루는 실험물리학자입니다. 광학은 첨단 디스플레이 개발은 물론, 통신과 의료, 우주기술 등 다양한 미래의 기술을 여는 열쇠인데요. 서민교 교수는 다양한 물질과 구조들이 빛과 어떻게 상호작용하는지 실험적으로 관찰하고, 그 특성을 제어하며, 사람들이 아직 보지 못한 현상을 찾아왔습니다. 나아가 빛을 다루는 방법의 한계에 도전하고, 이를 통해 빛-물질 상호작용을 실용성 높은 소자개발에 응용하는 발판도 마련했는데요. 자신의 연구 경쟁력으로 다양한 분야의 과학자들과의 소통을 꼽은 서민교 교수를 만났습니다.
아직 많이 부족한데도 이렇게 큰 상을 받아 정말 기쁘고 동시에 꽤나 부끄럽습니다. 제가 연구자의 길을 시작하고 걸을 수 있게 도와주시고 격려해 주신 모든 분들께, 그리고 옆에서 함께 해주는 가족들에게 진심으로 감사합니다. 앞으로 더욱 정진해 발전하는 과학자가 되겠습니다. 최근에는 비선형 매질로 된 광학 공진기를 기반으로 양자광학 현상을 실용적 소자 플랫폼에서 구현할 수 있을지에 관한 연구를 진행하고 있습니다.
제 연구 분야는 크게 두 가지입니다. 하나는 다양한 물질과 구조들이 빛과 어떻게 상호작용하는지 실험적으로 관찰하고, 그 특성을 제어하며, 사람들이 아직 보지 못한 재미난 현상을 찾아 구현하는 것입니다. 다른 하나는 빛을 다루는 방법의 한계에 도전하고, 이를 통해 빛-물질 상호작용을 실용성 높은 소자개발에 응용하는 발판을 마련하는 것입니다. 예를 들어 빛을 얼마나 작은 영역에 얼마나 오래 가둘 수 있는지 또는 반대로 빛의 존재를 얼마나 억제할 수 있는지에 도전하며, 빛-물질 상호작용의 탐구와 응용에 어떻게 사용할지 연구하고 있습니다.
노벨 물리학상은 새로운 자연현상의 발견과 이론적 규명/예측뿐만 아니라 과학연구와 인류 사회에 공헌한 새로운 기능의 구현과 발명에도 주어집니다. 개인적으로도 광학과 응용물리학 연구는 기초와 응용을 동시에 아우르는 재미가 있습니다.
학부 공부를 처음 시작할 때는 물리학을 수학적으로만 접근했던 것 같습니다. KAIST에서 학업을 하면서 제가 추상적인 것보다 실증적인 것, 즉 직접 보고 확인하고 다룰 수 있는 것을 더 좋아함을 알게 되었습니다. 그러면서도 기존에 보고된 결과들을 단순히 발전시키거나 활용하는 것보다는 조금이라도 남들과 다른 것을 연구하고 선보이려는 마음이 커 실험물리학을 하게 되었습니다.
실험물리학의 여러 분야 중 처음부터 광학을 생각한 건 아닙니다. 학부 연구 참여를 광학 실험연구실에서 했는데, 지도교수님(이용희 KAIST 물리학과 명예교수)의 연구 분야와 전문성, 지도 방향과 연구실 문화, 또 당시 실험실 선배들이 좋았습니다. 또한 운 좋게도 광학 실험이 저와 잘 맞았습니다. 더불어 광학은 다른 물리학 분야와 비교해 실험과 이론 연구를 병행하기 수월한 점이 좋습니다.
빛이 물체에 닿으면 일부는 투과하거나 흡수되고 일부는 반사됩니다. 반사를 극도로 줄여 완전히 0으로 만들면 광학적 무반사가 됩니다. 단순한 두 개의 다른 매질들 사이의 경계면에서는 반사를 0으로 줄일 수는 없습니다. 하지만 적절한 광학적 구조를 도입하면 광학적 무반사를 만들 수 있습니다. 일상에서도 완전하지는 않아도 빛의 반사를 줄이면 여러 곳에 좋은 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 텔레비전이나 스마트폰 디스플레이 표면의 빛 반사를 줄이면 햇빛이나 밝은 실내조명 아래에서도 선명한 화면을 즐길 수 있습니다.
진공은 일반적으로 물질이 없는 공간을 의미합니다. 하지만, 정말 아무것도 없는 것이 아니라 양자역학적 요동이 존재합니다. 빛도 마찬가지로 광자가 당장 존재하지 않아도 전자기장의 양자역학적 요동이 존재합니다. 이러한 전자기장 요동은 빛의 씨앗이라 할 수 있습니다. 이러한 씨앗이 존재할 때 매질 즉 원자, 전자, 분자 등이 빛의 형태로 에너지를 변환해 내보낼 수 있습니다. 요동의 밀도는 물질의 존재와 분포 즉 구조에 의해 제어 가능하며, 일반적으로 요동의 밀도를 높여 물질이 빛과 쉽게 상호작용하도록 활용합니다. 반대로 요동을 극도로 억제해 그 밀도를 0에 근접하게 만들면 전자기파 즉 빛의 입장에서 존재가 불가능한 광학적 진공이 얻어집니다. 저희 연구실에서는 광학적 진공을 이용해 연구 대상이 빛의 형태로 에너지를 잃어버리지 않고 보다 오랜 시간 존속하도록 했습니다.
광학적 비선형성을 포함해 재미있는 광학 현상들은 매질을 기반으로 일어납니다. 즉 빛이 매질을 구성하는 물질과 상호작용해 얻어지는 결과입니다. 하지만, 많은 종류의 빛-물질 상호작용들이 약한 세기로 인해 주변 잡음으로부터 구분하기 힘들거나 낮은 발생 확률로 활용이 어려운 측면이 많습니다. 특히 최근 주목받고 있는 빛에 기반한 양자정보 소자와 기술 개발에 있어 중요한 비선형 현상들은 그 세기가 더욱 약한 경우가 많습니다. 이러한 약한 세기의 빛-물질 상호작용을 크게 증대하거나 아니면 주변 잡음으로부터 독립적으로 골라내는 연구는 광학 및 물리학 분야에 있어 매우 중요합니다.
저는 다른 사람들과 반대로 생각하는 것을 좋아합니다. 앞에서도 잠깐 언급했듯 기존의 연구들은 약한 세기의 빛-물질 상호작용을 연구하고 활용하기 위해 그 자체의 세기와 발생 효율을 증대하는 방식에 집중해 왔습니다. 저는 반대로 광학적 무반사로 원하는 현상을 뺀 나머지 신호를 다 없애버리면 어떨지 또는 광학적 진공을 이용해 빛-물질 상호작용을 완전히 없애면 무엇이 가능할까를 고민해 보았습니다. 또, 계산으로는 쉽게 얻어낼 수 있는 광학적 무반사를 실험적으로 실현할 수 있을지 그 한계에 도전해 보고자 했습니다.
광학적 무반사 또는 광학적 진공을 이용해 2차원 공간 내 물성을 연구하고 제어할 수 있는 방법론을 개발했습니다. 그 예로 입력 광신호에 비해 수천 배 작은 세기의 자기광학적 신호를 정밀히 측정하고 자성 매질의 거동을 분석하기 위해 광학적 무반사로 자성 매질에서 나오는 신호 외에 다른 입력 광신호를 완전히 배제하는 방법을 선보였습니다. 광학적 진공으로는 2차원 매질에 존재하는 엑시톤(exction)이라 불리는 전자와 정공의 결합체가 빛의 형태로 에너지를 방출하며 사라지는 것을 완전히 배제해 최대한 오래 살아남으며 여러 기대되는 연구와 응용에 활용될 발판을 마련했습니다. 마지막으로 이론적 계산으로만 주어졌던 완전한 광학적 무반사를 실험적으로 구현하는 데 성공하였고, 나아가 완전한 광학적 무반사 특이점이 그간 구현된바 없던 준입자적 성질을 가지는 광학적 소용돌이를 수반함을 최초로 규명한 성과를 거두었습니다.
이번 연구로 얻은 성과들은 물리학과 광학 분야 측면의 호기심에서 출발한 초기 결과들이지만 앞으로 추가 연구와 타 분야 연구자들과 협업을 통해 다양한 연구 개발에 활용될 것으로 기대됩니다. 특히, 광학적 무반사와 광학적 진공을 이용해 물성을 연구하고 제어하는 방법론은 2차원 공간에 존재하는 어떠한 매질이나 객체에도 그대로 적용할 수 있는 범용성을 가지고 있습니다. 2차원 매질의 엑시톤 들의 존재 시간을 늘리는 연구는 향후 현재 전자나 정공만을 활용하는 전자 소자들(eletronic devices)과는 다른 형태의 엑시토닉 소자들(excitonic devices)을 보다 실용성 있게 구현하는데 활용될 것으로 기대합니다. 완전한 광학적 무반사와 그 특이점에 의한 광학적 소용돌이는 아직은 다 상상하기는 어렵지만, 빛의 각운동량 활용과 같은 광학 연구 개발에 있어 새로운 자유도를 가져올 것으로 기대합니다.
앞에서도 말씀드렸듯이 기존 연구들은 보고자 하는 빛-물질 상호작용을 강하게 하는 방향으로 진행되어 왔습니다. 제 경우는 반대로 광학적 무반사를 통해 원치 않는 다른 신호들을 완전히 억제하거나, 매질에서 빛을 잘 발생시키기보다는 광학적 진공으로 관찰/활용하고 싶은 객체가 최대한 오래 살아남게 하는 방향을 생각했습니다. 또한, 이론적으로는 해가 쉽게 얻어지는 완전한 광학적 무반사 역시 실제 실험적으로는 구현한 적이 없었던 점을 확인하고 이를 어떻게 실현할 수 있을지 고민했고, 이를 구현하는 과정에서 준입자적 성질을 가지는 전자기장 소용돌이 구조체를 새롭게 발견하였습니다. 그렇다고 해서 빛-물질 상호작용을 강하게 하는 부분 역시 소홀히 하지는 않습니다. 비선형 매질에 빛을 강하고 오래 가두기 위한 고성능 공진기를 구현하는데 성공했으며, 이를 통해 광학적 양자정보 소자/집적회로를 개발하는 연구 역시 지속적으로 수행하고 있습니다.
죄송하게도 아직은 해당 분야에서 세계를 선도하는 위치에 있다고 말씀드리기는 어렵습니다. 하지만, 저희 연구실과 구성원들의 역량이 세계 최고 수준에 나란히 할 정도는 올라왔다고 생각합니다. 광학과 응용물리학 분야에서 경쟁력을 높인 원동력은 다양한 경험을 쌓고 다른 학문 분야를 공부하고 관련 연구자들에게 물어보는 것을 주저하지 않았다는 점인 것 같습니다. 물리학 내 다른 분야뿐만 아니라 수학, 재료공학, 전자공학 등 다양한 분야의 전문 연구자들에게 이것저것 물어보고 같이 하고자 노력합니다. 물론 제 전공인 빛을 다루는 광학 분야에서 누구보다 높은 전문성을 갖추기 위한 노력은 항상 열심히 하고 있습니다.
제가 대학원 과정에서 주로 했던 연구가 광학적 공진기와 이를 이용한 미세 레이저 개발입니다. 이후 빛-물질 상호작용 현상 연구에 집중했는데, 6~7년 전쯤 다시 예전 주제에 많은 관심이 생겼습니다. 기존에 하던 반도체나 유리 같은 일반 선형 매질이 아닌 비선형 매질로 광학적 공진기를 만들면 재미난 연구를 할 수 있을 것 같습니다. 이에 해당 매질(리튬나이오베이트)을 확보해서 단면적은 빛의 파장 정도 크기면서 품위 값은 매우 높은 공진기 개발에 도전하였습니다. 연구실에 정말 훌륭한 학생이 있어 반복된 실패에도 계속 도전할 수 있었고, 마침 해당 분야에 전문성과 연구 필요성을 가진 KAIST 물리학과 이한석 교수님, KIST 정호중, 한상욱 박사님과 협업하며 세계적 수준의 비선형 광학 공진기를 만들었습니다. 이때 얻은 교훈은 저희가 확보한 작은 성과를 기밀로 하지 않고, 공유하면 정말 제대로 발전할 수 있다는 것입니다. 나아가 ETRI 주정진, 문기원 박사님과 협업하며 더욱 높은 수준의 발전을 이룰 수 있었고, KRISS 차진웅 박사님 그룹과도 시작 단계지만 해당 공진기 개발과 응용 연구에 박차를 가하고 있습니다.
제가 즐겁게 연구하고 세계적 수준에 도전할 기회와 기반을 마련해준 국내 과학자들과 학술단체에 조금이라도 보답하고자 작은 봉사를 하고 있습니다. 또, 우리 연구가 국내에만 갇히지 않기 위해서라도 국외 학술교류 활동이 필요합니다. 나아가 과학 선진국뿐만 아니라 다른 나라들과의 교류도 활성화해 훌륭한 인재가 우리나라에 들어오고 많은 다양성을 가져와야 보다 높은 곳으로 지속 발전할 수 있다 생각합니다. 광학분야는 최근 10년간 노벨 물리학상 수상 업적 중 4가지(2023년 아토초 빛 생성, 2022년 광학적 양자정보 실험, 2018년 초고속 레이저와 광학적 집게, 2014년 청색 발광다이오드)를 차지할 정도로 정말 많은 성과와 발전이 있었고 앞으로도 그럴 것으로 생각합니다. 제 연구 주제와 분야에서도 노벨상 수상자가 조만간 나오길 정말 기대하고 있습니다.
논문이 좋은 학술지에 실리는 그 순간도 보람이 있지만 아무래도 좋은 결과가 나와 논문을 쓰기 시작하는 순간이 가장 행복한 순간인 것 같습니다. 얻은 결과가 학계에서 어떤 인정을 받을지 알 수 없는 경우가 많지만, 평가에 대한 부담을 넘어 작아도 남들이 보거나 만들어 내지 못한 결과를 처음 알고 있다는 사실과 이를 다른 연구자들에게 보여준다는 기대감은 과학 연구를 계속하게 하는 원동력이 됩니다. 연구와 다른 측면으로 교육에서 제 연구실 학생들이 학위를 받는 그 순간이 가장 행복한 것 같습니다. 사실 행복한 감정에 안도감이 강합니다. 우리나라에서 가장 훌륭한 대학원생들이 입학하는데, 이 학생들이 원하는 바를 성취하고 무사히 졸업할 수 있게 도와야 한다는 부담감은 상당합니다. 어려운 일들은 아내와 술 한잔하면서 이야기를 털어놓고 여러 조언을 들으며 이겨내고 있습니다.
독립적 연구자이자 동료 연구자가 되어야 한다고 강조하고 있습니다. 우선 작더라도 지도 교수인 제가 모르거나 혹은 놓친 부분에서 좋은 연구주제를 찾고 같이 고민해 보며 알아나갔으면 좋겠습니다. 저희 연구실에서 현재 진행 중인 연구주제와 내용, 수준에만 갇히지 말고 좀 더 다른 주제, 높은 수준에 적극적으로 도전해 자신만의 연구 영역과 색채를 찾길 바랍니다. 그리고, 학생들이 제 의견과 연구 방향을 비롯해 모든 부분을 의심하고 고민하고 스스로 해법과 방향을 찾되, 자신만의 생각을 고집하지 않고 동료 과학자, 연구자들과 생각과 결과를 효과적으로 공유하고 같이 발전할 수 있길 바랍니다. 혼자의 힘으로 훌륭한 연구를 할 수 있는 시대는 이미 지난 지 오래입니다. 물론 처음부터 자신의 색채를 찾고 타 연구자들과 협업을 잘 할 수 있는 것은 아닙니다. 멀리 보고 조금씩 조금씩 계속 노력해야 합니다.
단일광자 비선형성과 확정적 비선형성 구현이라는 주제에 도전하고 싶습니다. 광학적 비선형성의 극한에 도전하는 연구들입니다. 첫 번째는 광자(빛 알갱이) 하나만으로도 광학적 비선형성을 일으켜 다른 광자 하나와 반드시 상호작용 할 수 있는 상황을 구현하는 것입니다. 아직까지 광학적 비선형성은 그 세기가 약해 최소 수백 개 이상의 광자들을 넣어야 하나 꼴로 비선형성이 일어납니다. 그 한계를 넘어보고 싶습니다. 두 번째는 첫 번째 연구가 잘 진행된다면 제대로 도전할 수 있는 주제입니다. 앞서 말씀드렸듯이 광학적 비선형성은 확률적으로 일어나고, 원치 않는 비선형 상호작용도 일어날 확률을 역시 가집니다. 저는 단일 광자에 대해 원하는 광학적 비선형성만 확정적으로 일으키는 방법을 모색하고 싶고, 이는 광자에 새로운 가능성을 부여하는 동시에 광학적 양자정보 소자/시스템에 있어 핵심적 역할이 기대됩니다.
어려서부터 과학책을 많이 보았습니다. 계몽사의 학습그림과학 20권 시리즈가 정말 기억에 남습니다. 이후 운 좋게도 KAIST를 거치며 자유로운 환경에서 물리학을 공부하고 연구할 기회를 가질 수 있었고 감사한 마음입니다. 사실 너무 자유롭게 살다 보니 물리 외에 다른 과목 성적은 부끄러운 면이 많습니다. 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게는 꾸준함, 건강한 마음, 체력, 상호 교류, 책임감 등을 조언하고 싶습니다. 과학자가 되려면 짧은 시간 재능만으로 치고 나가는 것이 아니라 긴 시간 노력을 기울여야 합니다. 꾸준히 노력해 조금씩 조금씩 미세하게 발전하는 것들을 쌓아 올릴 수 있어야 합니다. 이를 위해 건강한 마음과 체력이 있어야 합니다. 마지막으로 현대 과학 연구는 혼자 하는 것이 아니라 동료 과학자들과 같이해야 합니다. 서로 소통하고 책임감 있게 자신의 역할을 하는 것이 중요하다 생각합니다. 말씀드리고 보니 저도 계속해서 부족한 부분들 놓치고 있는 부분들을 잘 가다듬어야 할 것 같습니다. 저는 제 아이들이 과학자가 되어 제 동료가 되었으면 하는 희망 사항도 있습니다.(물론 희망 사항은 희망 사항일 뿐 아이들이 하고 싶은 일을 하길 바랍니다).