광사태는 단일 원자가 흡수한 빛에너지를 방출할 때 마치 눈사태처럼 주변 영역 원자들의 빛에너지 방출로 연결되는 현상이다. 이 현상을 활용하면 물질이 흡수한 빛이 증폭돼 효율적인 레이저를 만들 수 있다. 하지만 그간 광사태를 작은 입자 안에서 일으키기가 어려워 상용화되지 못했다.
제임스 슉 미국 컬럼비아대 기계공학과 교수와 서영덕 한국화학연구원 책임연구원 등 국제공동연구팀은 란탄족 희토류인 툴륨(Tm) 이온을 첨가해 순식간에 광사태를 유발할 수 있는 16~33nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 나노입자를 만들어 국제학술지 ‘네이처’ 1월 13일자에 발표했다.
연구팀이 만든 나노입자 속 툴륨 이온은 빛 에너지를 흡수했을 때 에너지가 1만 배 이상 증폭되는 성질을 보였다. 그 덕에 연구팀은 기존 나노물질에서 1% 이하였던 광변환 효율을 40%까지 높일 수 있었다. 광변환 효율은 나노입자에 들어간 빛의 세기 대비 나온 빛의 세기를 뜻한다.
이번 연구결과는 전자현미경과 같이 레이저 기술이 필요한 광학 분야에 활용될 전망이다. 연구에 참여한 이창환 컬럼비아대 기계공학과 연구원은 “이번 연구결과를 적용하면 상업용 공초점 현미경도 가장 최근 개발된 초고해상도 이미징 시스템에 버금가는 70nm 해상도로 탈바꿈시킬 수 있다”고 말했다. doi: 10.1038/s41586-020-03092-9
