2001/04/12
정보출처 : http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/292/5514/60
서로 다른 두 물질의 계면에서 빛의 굴절이 일어날 때, 각 물질의 굴절률과 계면에서 빛이 진행하는
각도는 스넬의 법칙을 만족한다. 대다수 물질에서 굴절률의 크기는 1보다 크다. 그리고 자연계에서
존재하는 모든 물질의 굴절률은 양수인 것으로 알려져 있다. 그러나 전자기 이론에 의하면 굴절률이
음수인 경우도 허용된다. 굴절률은 유전율(dielectric permittivity)과 투자율(magnetic
permeability)을 곱한 값의 제곱근으로 정의된다. 유전율과 투자율 모두가 양수일 경우에는 굴절률이
양수가 된다. 반면에 두 개의 부호가 다른 경우에는 굴절률이 복소수 형태로 나타나며, 복소수 굴절률은
금속성 물질에서 흔히 존재한다. 일반적으로 자연에 존재하는 물질은 모두 이상의 경우에 해당한다.
반면에 음수 굴절률은 유전율과 투자율이 모두 음수인 경우를 말한다. 그리고 음수 굴절률을 가지는 물질을 왼손잡이 물질이라고 한다. 이러한 물질은 우리가 잘 알고있는 일반적인 오른손잡이 물질과는 전자기적인 성질이 상반된다. 따라서, 오른손잡이 물질과 왼손잡이 물질을 접합시킨 다음에 오른손잡이 물질에서 왼손잡이 물질 방향으로 계면에 수직이 되도록 빛을 입사시킨다면, 입사시킨 방향으로 빛이 굴절되어 나온다. 또한 평행한 왼손잡이 물질 판에 점광원에서 나온 빛을 입사시킬 경우에는 반대편에 또 다른 빛의 초점이 생긴다. 이 때 생성되는 초점은 오른손잡이 물질의 회절한계(diffraction limit)로 맥놀이를 한다. 그러므로 빛의 파장의 길이보다 작은 정도의 정밀도로 초점을 만들 수 있다.
음수 굴절률을 실험으로 측정하기 위하여, 2차원 격자가 규칙적으로 배열된 준물질(metamaterial)을
만들었다. 1차원 구조의 경우에는 선행연구자들에 의해서 굴절률이 한쪽 방향에 대하여 음수값을 가질
수 있음이 보고된 바 있다. 이 구조는 그 연장선상에 위치한다.
실험결과 준물질의 경우에, 10.2GHz부터 10.8GHz에 해당하는 파장 영역에서 투과각도가 음수로 나타났다. 이것은 이 주파수 영역대에서 준물질이 왼손잡이 물질의 속성을 나타냄을 의미한다. 비록 음수의 굴절률을 갖는 물질이 이론적으로 존재한다고 하여도, 전자기적인 상호작용이 인과율을 만족시켜야 한다. 그래서 인과율을 만족하는 굴절률과 투자율의 해석적인 수식(analytical form)을 이용하여, 파장에 따른 굴절률을 계산하였다. 이론적으로 계산된 값과 실험에서 관측된 값이 공명주파수영역을 제외하고는 같게 나타났다.
비록 이 연구에서 음수 굴절률을 측정하였지만, 다음과 같은 한계가 있다. 첫 번째로 공명주파수
부근에서 굴절률 측정하기 어렵다. 왜냐하면 굴절률이 0에 가까워지면, 매질 내에서 빛의 파장이 매우
크게 증가하므로, 빛을 선으로 생각하는 기하광학적인 효과보다 산란광으로서의 효과가 더 크게
나타난다. 그러나 이것은 준물질의 크기를 조절함으로써 측정한계를 개선시킬 수 있다. 두 번째의
한계는, 전반사가 크게 일어나는 경우에는 사용할 수 없다는 점이다. 굴절률의 부호와 관계없이
절대값의 크기가 3보다 크면, 전반사가 일어나 굴절률을 측정할 수 없다.
또 다른 문제는, 주요 관심의 대상인 가시광선 영역에서 음수의 굴절률을 갖는 물질을 만들 수 있느냐는 것이다. 도체의 자체적인 성질로 인해서 적외선보다 짧은 파장에서는 왼손잡이 물질의 효율을 떨어뜨릴 것으로 예상된다. 그리고, 준물질에 마이크로파를 입사한 경우와 동일하게 굴절률을 정의할 수 있는지는 논의할 문제이다. 게다가 위상정합(phase matching) 문제 때문에 실제 구동 가능한 준물질을 만들기 어렵다. 그럼에도 불구하고 자연에 존재하지 않는 음의 굴절률을 가지는 물질을 이용한다면, 광선 유도기(beam steerer), 변조기(modulator), 밴드패스필터나 파장보다 더 작은 길이로 초점을 맞출 수 있는 렌즈를 만들 수 있는 응용면에서의 다양한 이÷?존재한다.