신개념 공진-나노현미경으로 양자광원 상온에서 골라서 생성한다
신개념 공진-나노현미경으로 양자광원 상온에서 골라서 생성한다
  • 남윤실 기자
  • 승인 2021.08.05 16:38
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박경덕 교수(울산과학기술원, 제1저자 이형우 연구원), 노준석 교수(포항공대, 공동 제1저자 김인기 박사), 공동연구팀(공저자 성균관대 정문석 교수, 고려대 박홍규 교수 등)
■ 상온 양자광원 생성을 묘사하는 그림 ■
나노광학공진기의 부분 변형을 통해 엑시톤이 가둬지는 것을 흰 점 (엑시톤)이 소용돌이 가운데로 빨려들어 가는 것으로 표현. 이 위에 탐침증강 광발광 나노현미경이 더해져 삼중안테나가 생성되었다. 궁극적으로 이를 통해 생성되는 단일 양자광원은 꽃으로 표현하였는데, 이는 양자광학의 꽃이라고도 할 수 있는 단일 양자광원을 의미한다. [그림설명 및 그림제공 : 울산과학기술원 박경덕 교수]

기존 액체질소나 액체헬륨, 온도제어장비 같은 번거로운 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술이 소개됐다.

 

그간 양자정보기술의 핵심요소인 단일 양자광원은 온도가 올라갈수록 안정성과 양자수율이 극한으로 떨어지기 때문에 대부분 저온에서 검출되었으나 실질적인 응용을 위해서는 상온 생성 및 검출이 매우 요구되어왔다.

2차원 반도체의 부분적 변형을 유도하여 단일 양자광원을 회절한계보다 작은 원하는 지점에 유도할 수 있는 기술이 개발되었지만 회절한계로 인해 양자광원이 생성되는 지점만을 측정하는 것은 불가능하고 소자의 실용화 및 축소화를 위해서는 상온에서 단일 양자광원을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 회절한계를 넘는 초고분해능을 통한 정확한 검출능력 또한 요구됐다.

 

이에 박경덕 교수(울산과학기술원, 1저자 이형우 연구원), 노준석 교수(포항공대, 공동 제1저자 김인기 박사) 공동연구팀(공저자 성균관대 정문석 교수, 고려대 박홍규 교수 등)2차원 물질의 양자광원을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다.

 

소자의 광원으로 실제 활용하기 위해서는 임의의 위치에 무작위로 존재하는 양자광원의 위치를 제어하는 것이 필요했다. 저온에서만 양자광원의 생성과 검출을 할 수 있는 것도 극복해야 할 과제였다.

기존 나노광학 공진기는 광원의 위치는 제어할 수 있지만, 공간 분해능에 제약이 있었고, 탐침증강 광발광 나노현미경은 분해능은 높지만 양자광원 생성은 어려웠다.

 

이에 연구팀은 이 둘을 결합, 공진-나노현미경이라는 새로운 개념을 이용한 빛 제어 및 측정 시스템을 설계했다.

 

(그림2) 공진-나노현미경을 이용한 상온 양자광원 측정 결과                   (왼쪽) 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침 위치를 조절해가며 측정한 스펙트럼. 삼중 안테나 구조가 형성이 되는 가운데 부근에서 단일 양자광원의 발광이 관찰된다. (오른쪽) 가운데 부근에서 보다 정밀하게 단일 양자광원의 경향성을 관찰한 스펙트럼.그림설명 및 그림제공: 울산과학기술원 박경덕 교수
■ 공진-나노현미경을 이용한 상온 양자광원 측정 결과 ■
(왼쪽) 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침 위치를 조절해가며 측정한 스펙트럼. 삼중 안테나 구조가 형성이 되는 가운데 부근에서 단일 양자광원의 발광이 관찰된다. (오른쪽) 가운데 부근에서 보다 정밀하게 단일 양자광원의 경향성을 관찰한 스펙트럼. [그림설명 및 그림제공: 울산과학기술원 박경덕 교수]

 

선행연구를 통해 연속 도미노 리소그래피 공정으로 원자 수준으로 뾰족한 나비넥타이 형태로 나노광학 공진기를 제작, 2차원 반도체 물질의 양자광원을 원하는 위치에서 생성할 수 있도록 했다.

이번 연구에서는 이 공진기에 광발광 나노현미경을 결합, 삼중 안테나 효과를 유도함으로써 높은 효율로 양자광원을 생성, 상온에서 약 15나노미터(머리카락 두께의 약 만분의 일)의 공간분해능으로 양자광원을 검출할 수 있었다.

실제 이렇게 만들어진 양자광원은 안테나 효과를 적용하지 않은 반도체 양자광원 대비 밝기가 4만 배 강해지는 것을 확인하였다. 삼중안테나 효과를 적용한 LED 한 개에서 방출되는 빛이 기존 LED 4만 개에서 방출되는 빛의 밝기와 같아지는 셈이라는 것이다.

 

양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다. 기존에 극저온에서 단일 양자광원을 유도하는 데 필요했던 온도제어 장비가 필요 없다. 즉 극저온 환경을 만들기 위해 끊임없이 사용되었던 액체헬륨이나 액체질소를 사용할 필요가 없으므로 기존보다 간소화되고 유지비용이 저렴한 단일 양자광원 유도 장치를 만들 수 있다. 또한, 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있고 회절한계를 넘어선 초고분해능의 장점을 이용하여 단일 양자광원 나노 디바이스까지의 확장도 기대해볼 수 있다.

 

이번 연구의 성과는 재료물리 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’618일 게재(온라인)되었다.

 


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