[지금은 과학] 4만배 밝아진 빛으로 상온에서 양자광원 생성

[아이뉴스24 최상국 기자] 액체질소나 액체헬륨 같은 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술이 소개됐다.

한국연구재단은 박경덕 UNIST 교수, 노준석 포스텍 교수 공동 연구팀이 2차원 물질의 단일 양자광원(Single photon emitter)을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 광기반 양자정보통신 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

단일 양자광원을 양자 정보통신 소자의 광원으로 실제 활용하기 위해서는 광원의 위치를 정확하게 제어할 수 있어야 한다. 또한 단일 양자광원은 온도가 올라갈수록 안정성과 양자수율이 극한으로 떨어지기 때문에 상온에서의 생성과 함께 생성지점을 정확하게 탐지할 수 있는 고해상도 검출 능력이 함께 요구된다.

공동연구팀은 노준석 교수 연구실에서 개발한 나노광학공진기 기술과 박경덕 교수 연구실에서 개발한 탐침증강 광발광 나노현미경 기술을 결합해 해결책을 찾았다.

노준석 교수팀의 나노광학공진기는 원자 수준으로 뾰족한 나비넥타이 형태로, 단일 양자광원을 빛의 회절한계보다 작은 지점에 정밀하게 유도할 수 있는 기술이다. 박경덕 교수팀의 탐침증강 광발광 나노현미경은 15나노미터 이하의 분해능으로 빛을 검출할 수 있는 기술이다.

연구팀은 서로 다른 분야로 존재하고 있던 두 기술을 결합해 '공진-나노현미경'이라는 새로운 개념의 빛 제어 및 측정 시스템을 설계했다. 나노광학공진기의 정밀 공정을 이용해 원하는 지점에 단일 양자광원을 생성하고, 탐침증강 광발광 나노현미경의 초고분해능 해상도를 이용해 단일 양자광원 생성 지점을 정확하게 탐지하고자 한 것이다.

더 나아가 나노광학공진기의 나비넥타이 구조와 광발광 나노현미경의 탐침으로 삼중안테나 효과를 형성해, 안테나 효과를 적용하지 않은 반도체 양자광원과 비교할 때 4만 배나 밝은 빛을 만들어냈다. 연구팀은 이렇게 발광 양자수율을 크게 높임으로써 상온에서도 약 15나노미터의 공간분해능으로 단일 양자광원을 검출하는 데 성공했다.

연구팀은 이번 연구가 양자정보기술 상용화를 위한 큰 과제였던 상온에서의 양자광원 검출을 현실화함으로써 양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있다고 설명했다.

박경덕 교수는 "단일 양자광원을 유도하기 위한 극저온 환경이 필요없기 때문에 기존에 비해 간소화 되고 유지비용이 저렴한 단일 양자광원 유도 장치를 만들 수 있게 됐다. 뿐만 아니라, 회절한계를 넘어선 초고분해능의 장점을 이용해 단일 양자광원 나노 디바이스까지의 확장도 기대해볼 수 있다"고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업과 중견연구사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료물리 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 6월 18일 온라인 게재됐다.

◇논문명 : Inducing and probing localized excitons in atomically thin semi conductors via tip-enhanced cavity-spectroscopy

◇저자 : 박경덕 교수(교신저자/울산과학기술원), 이형우 연구원(제1저자/울산과학기술원), 노준석 교수(교신저자/포항공과대학교), 김인기 박사(제1저자/포항공과대학교), 정문석 교수 (공저자/한양대학교), 박홍규 교수 (공저자/고려대학교)