4만배 밝은 양자광원 만드는 ‘공진-나노현미경’ 개발

- UNIST‧포스텍 공동연구, 기존 양자광원 대비 밝기 4만배 높여

- 광기반 양자통신 상용화 기여 기대

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 표현했는데, 이는 양자광학의 꽃이라고도 할 수 있는 단일 양자광원을 의미한다.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내연구진이 액체질소나 액체헬륨, 온도제어장비 같은 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 박경덕 교수, 포스텍 노준석 교수 공동연구팀이 2차원 물질의 양자광원을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

양자광원이란 물질 내부의 불연속적인 전자에너지 구조에서 방출하는 양자회된 빛을 말한다. 소자의 광원으로 실제 활용하기 위해서는 임의의 위치에 무작위로 존재하는 양자광원의 위치를 제어하는 것이 필요하다. 저온에서만 양자광원의 생성과 검출이 가능한 것도 극복해야 할 과제였다.

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

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

선행연구를 통해 연속 도미노 리소그래피 공정으로 원자수준으로 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 4만배 강해지는 것을 확인했다.

삼중안테나 효과를 적용한 LED 한 개에서 방출되는 빛이 기존 LED 4만개에서 방출되는 빛의 밝기와 같아지는 셈이라는 것이다.

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.[UNIST 제공]

양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

또한 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있다는 설명이다.

양자광원의 안정성과 품질을 더욱 높이기 위해 연구팀은 다양한 플라즈모닉 구조를 대상으로 비교연구를 수행하고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 재료물리 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’ 6월 18일 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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