한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 박용근 교수 연구팀이 이론조차 존재하지 않았던 물리학 난제 가운데 하나인 '유전율 텐서'를 3차원 단층 촬영하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

유전율 텐서는 방향에 따라 다르게 보이는 특성인 '광학적 이방성'을 정량적으로 표현할 수 있는 중요한 물리량이다.

병리학·재료과학·연성물질 과학 등 다양한 분야에서 중요하게 취급되지만, 직접 3차원 측정할 방법이 없었다.

3개의 고유치를 가지는 유전율 텐서를 측정하기에는 빛의 편광 방향 자유도가 2개로 제한되기 때문이었다.

1967년 광학적 이방성을 무시하고 유전율 텐서를 3차원 굴절률 수치로 단순화해 측정하는 기술이 발명됐지만, 여전히 3차원 유전율 텐서를 직접 측정하는 방법은 개발되지 못했다.

연구팀은 고정관념에서 벗어나 빛의 방향을 살짝 틀어 중첩된 정보를 활용하면 편광 방향 자유도를 3개로 늘려 유전율 텐서의 3개 고유치를 모두 구할 수 있는 점에 주목했다.

3개의 편광 자유도를 제어하는 것과 동시에 엑스레이·컴퓨터 단층(CT) 촬영처럼 여러 각도에서 광학적 이방성 구조를 촬영함으로써 3차원 유전율 텐서를 직접적으로 측정했다.

연구팀은 이 방법을 이용해 뒤틀린 네마틱(twisted nematic) 액정처럼 잘 알려진 광학적 이방체의 3차원 유전율 텐서를 성공적으로 측정했다.

KAIST 물리학과 신승우 박사는 "지금까지 직접 볼 수 없던 유전율 텐서를 실제로 측정할 수 있는 방법론을 처음으로 개발한 것"이라며 "여러 분야에 필수적으로 사용되길 바란다"고 말했다.

이번 연구 결과는 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 실렸다.