메타 물질에서 역으로 나타나는 도플러 효과 김철구 교수팀 연구결과 phyciscworld.com 헤드라인 게재 망토를 두르면 모습이 보이지 않게 되는 ‘해리포터’ 속 마술 같은 일을 실현시킬 수 있게 될 전망이다. 물리학과 김철구 교수 연구팀이 투명망토를 실현 시킬 수 있는 특수한 구조의 물질인 "메타 물질"을 개발에 성공했다. 연구팀은 “역도플러 효과”라 불리는 특이한 현상을 보이는 “음향 메타 물질”을 만든 것이다. 음파가 물체 주위를 돌아가게 만들어 물체가 그 자리에 없는 것처럼 속일 수 있는 물질이다. 경찰차가 사이렌을 울리며 우리에게 다가오면 높은 음의 사이렌 소리를 듣게 되고, 멀어지면 낮은 음의 사이렌 소리를 듣게 된다는 도플러 효과는 널리 알려져 있다. 김철구 교수팀은 음(negative: 파동의 에너지 전달 방향이 파의 진행 방향과 반대로 나타나는 현상)의 위상 속도로 소리를 전달하는 음향 관(튜브)을 세계 최초로 만듦으로써 도플러 효과를 반대로 나타내는 역도플러 효과를 실현했다. 김철구 교수는 phyciscworld.com 2월 3일자 헤드라인에 “우리는 소리의 굴절률을 조절할 수 있는 음향 메타 물질을 성공적으로 만들었다. 그리고 이 물질과, 이 물질에 대한 이론적 모델은 소리에 대한 투명망토를 구현하는데 있어서 뿐만 아니라 다른 여러 가지 응용을 실현할 수 있는 도구를 제공할 것이다”라고 말했다. Physics World는 전 세계에서 가장 큰 물리학회 중 하나인 영국 물리학회(Institute of Physics, IOP)가 매월 발행하는 국제적인 전문잡지이다. 세계 최초 밀도, 탄성률 모두 음(negative)인 음향 메타 물질 김철구 교수 연구팀은 음(negative)의 전자기적 굴절률이 나타나는 원리를 소리에 적용하여 역도플러 효과를 구현했다. 소리의 경우에 역도플러 효과가 나타나기 위해서는 밀도와 탄성률이 음이 되어야 한다. 현재까지 과학자들은 오직 이들 두 개의 변수 중 하나만 음의 값을 갖는 물질을 만들 수 있었다. 그러나 이번에 김철구 교수 연구 팀은 세계 최초로 밀도와 탄성율이 모두 음인 ‘double-negative’ 음향 메타 물질을 만든 것이다.(arXiv:0901.2772v2) 투명망토를 향한 또 하나의 도약 김철구 교수팀이 세계 최초로 개발한 1차원 음향 메타 물질은 튜브형이다. 벽에 일정한 간격으로 구멍을 낸 튜브 사이에 정밀하게 조절되는 아주 얇은 탄성 박막을 주기적으로 설치함으로서 구현됐다. 이것이 관을 지나는 소리에 대해 음의 위상속도를 갖게 한다. 350Hz의 소리와, 소리의 전파 방향으로 5m/s로 움직이는 음원을 사용하여 튜브형 장치를 실험한 결과 음원이 다가올 때 저음의 소리가 들리고 멀어질 때 고음의 소리가 들리는 역도플러 효과를 세계 최초로 직접 관측하였으며, 이를 통해 이 메타 물질이 이중 음(double negative)을 가지는 것을 증명했다. 이러한 연구성과는 과학계에서 새롭게 활발하게 연구되고 있는 메타 물질 분야에서 획기적인 진전을 이룩한 것으로 평가되고 있다. 이 연구결과는 “음향학적인 투명망토”, “초음파 슈퍼 렌즈를 이용한 의료용 진단 장비”, “소리 및 진동의 전파와 차단을 마음대로 조절할 수 있는 음향 및 진동 제어 소자 개발” 등의 연구에 널리 활용될 것으로 기대된다. 본 연구는 우리대학교 물리학과 김철구 교수, 이삼현 교수, 박사후 연구원으로 있었던 중국 Tongji 대학교의 Z. G. Wang 교수, 명지대학교 서용문 박사에 의해 수행되었으며, 우리대학교 원주캠퍼스 물리학전공 남균 교수가 공동 연구자로서 기여했다.