작업을 위한 비선형 산란 매체 활용

Jul 13, 2023

비선형 산란 매체의 광학적 응답 디코딩: 확장성이 뛰어난 물리 연산자를 향한 도약

기초과학연구원

이미지: (a)에 표시된 비선형 산란 매체는 비선형 나노입자를 통해 산란 및 비선형 변조를 나타내므로 기존 선형 매트릭스를 사용하여 응답을 특성화하는 것이 불가능합니다. 비선형 응답을 측정하기 위해 (b)와 같은 비선형 2차 고조파 간섭 시스템이 개발되었습니다.더보기

출처: 기초과학연구소

갈은 유리와 같은 산란 매체를 통해 볼 수 있습니까? 일반적으로 그러한 위업은 불가능한 것으로 간주됩니다. 빛이 불투명한 매체를 통과할 때 빛에 포함된 정보는 마치 복잡한 암호화를 겪는 것처럼 "뒤섞여" 있습니다. 최근 IBS 분자분광학 및 동역학 연구단(IBS CMSD) 최원식 교수 연구팀은 이러한 현상을 광컴퓨팅과 머신러닝에 활용하는 방법을 찾아냈다.

2010년 이후 이전의 여러 연구에서는 생물학적 조직과 같은 산란 매체로 인해 손실된 정보를 수학을 사용하여 활용하려고 시도했습니다. 이는 일반적으로 산란을 겪을 때 광자의 입출력 관계를 결정하는 데 사용할 수 있는 선형 산란 행렬과 같은 광학 연산자를 사용하여 수행되었습니다. 이 주제는 조직 이미징을 위해 하드웨어와 소프트웨어 기반 적응광학을 결합한 많은 연구를 발표한 IBS CMSD 최 교수팀의 주요 연구 관심 분야였습니다. 그들의 작업 중 일부는 쥐 두개골과 같이 불투명도가 높은 산란 매체를 통해 볼 수 있을 뿐만 아니라 조직의 심층 3D 이미징을 수행할 수 있는 새로운 유형의 현미경에서 시연되었습니다.

그러나 비선형성이 방정식에 포함되면 상황이 훨씬 더 복잡해집니다. 산란 매체가 비선형 신호를 생성하는 경우 중첩 원리가 위반되므로 더 이상 단순히 선형 행렬로 표현할 수 없습니다. 더욱이, 비선형 입출력 특성을 측정하는 것은 어려운 과제가 되어 연구에 까다로운 단계를 설정합니다.

비선형 산란 매체의 미스터리 풀기

이번에 최 교수팀은 또 다른 과학적 성과를 달성했다. 그들은 비선형 산란 매체의 광학적 입출력 반응이 선형 행렬이 아닌 3차 텐서*에 의해 정의될 수 있다는 사실을 처음으로 발견했습니다.

*3차 텐서는 세 가지 데이터 세트 간의 관계를 나타내는 데 사용되는 수학적 개체입니다. 쉽게 말하면 3차원 구조로 배열된 숫자의 배열이다. 텐서는 스칼라(0차 텐서), 벡터(1차 텐서), 행렬(2차 텐서)을 일반화한 것으로 수학, 물리학, 공학 등 다양한 분야에서 물리량과 그 관계를 설명하는 데 흔히 사용됩니다.

이를 입증하기 위해 팀은 티탄산바륨의 고유한 비대칭 특성으로 인해 비선형 SHG(2차 고조파 발생) 신호를 생성하는 티탄산바륨 나노입자로 구성된 매체를 활용했습니다. 이러한 SHG 신호는 2차 고조파 과정을 통해 입력 전기장의 제곱으로 나타나며, 여러 입력 채널이 동시에 활성화되면 교차항을 발생시켜 선형 중첩 원리를 방해합니다. 연구자들은 3차 텐서에서 이러한 교차항을 포함하는 새로운 이론적 프레임워크를 고안하고 실험적으로 검증했습니다.

이를 설명하기 위해 연구진은 두 개의 입력 채널이 동시에 활성화되었을 때와 각 채널이 별도로 활성화되었을 때 생성된 출력 전기장 간의 차이를 분리하여 교차항을 측정했습니다. 이로 인해 단 49개의 입력 채널이 있어도 두 개의 독립적인 입력 채널을 조합하여 설정할 수 있는 추가 1,176개의 측정이 필요했습니다.