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< (왼쪽부터) 물리학과 조용훈 교수, 여환섭 박사 >

우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 LED에 널리 사용되는 질소화합물 반도체를 이용해 대칭성이 매우 높은 삼각형 형태의 양자점(퀀텀닷)을 형성하고 제어하는 데 성공, 광자들 사이에 얽힘을 발생시키는 차세대 양자광원 개발에 핵심적인 양자점 제어 기술을 갖추게 됐다고 13일 밝혔다.

‘얽힘(entanglement)’은 입자들이 쌍으로 상관관계를 가져 거리에 상관없이 얽혀 있는 쌍의 한쪽 특성을 측정하면 나머지 한쪽의 특성을 즉시 알게 되는 현상으로, 전문가들은 얽힘이라는 양자역학적인 현상을 활용하면 양자통신과 양자컴퓨팅과 같은 양자정보에 필요한 기술 개발과 함께 물리학적으로 새로운 주제들이 개척될 것으로 기대하고 있다.

반도체 양자점(Quantum Dot)은 원하는 순간에 광자를 한 개씩 방출하는 대표적인 고체 기반의 양자광 방출 소자로써 널리 연구되고 있다. 특히, 반도체 양자점의 대칭성을 제어해 양자점 내부의 미세 에너지 구조를 정교하게 조절할 수 있다면, 두 개의 광자를 양자얽힘 상태로 만드는 편광얽힘 광자쌍 방출이 원리적으로 가능하므로 이를 이용한 양자통신 및 양자컴퓨팅 분야에서 주목받고 있다.

격자구조를 갖는 반도체는 일반적으로 원자들을 한 층씩 천천히 쌓아 올리는 박막 증착기술을 통해 제작된다. 이때 발광층을 형성하기 위해 격자크기가 다른 층을 쌓게 돼 반도체 내부에 응력이 발생하게 되는데, 발광층이 갖는 응력을 에너지로 사용해 양자점이 무작위적으로 형성되므로 양자점의 크기의 균질성과 대칭성이 떨어지고 근본적으로 양자점의 위치와 모양을 제어할 수 없는 한계를 가진다. 따라서 얽힘 광자쌍 방출소자를 제작하기 위해서는 제작단계에서 위치와 대칭성을 제어할 수 있는 기술이 필수적이다.

한편, 청⦁녹색 LED에 사용되는 물질로 잘 알려진 질소화합물 반도체는 상온에서도 양자적인 특성을 유지할 수 있어 상온에서 안정적으로 구현할 수 있는 양자광원 소자의 후보 물질로도 주목받고 있다. 그러나, 이 물질계는 양자점의 대칭성이 조금만 무너져도 양자역학적 얽힘 특성을 쉽게 잃어버리게 되므로 높은 수준의 대칭성 제어 기술을 확보하지 않고는 실질적으로 구현이 쉽지 않은 한계가 있었다.

조용훈 교수 연구팀은 양자점의 위치와 대칭성을 높은 수준으로 제어하기 위해, 삼각형 형태의 나노 배열 패턴을 갖는 기판 위에 삼각 피라미드 형태를 갖는 질소화합물 반도체 나노 구조를 우선 제작했다. 이후 양자점을 성장하는 단계에서 나노 피라미드 꼭지점 부분의 기하학적 형태를 조절하면서, 열역학적 안정성에 의해 자체적으로 성장 방식이 조절되는 자기제한적 성장메커니즘을 적용했다.

그 결과 육각형 결정구조를 갖는 질소화합물 반도체에서 일반적으로 나타나는 육각 대칭성을 갖는 비균일한 양자점 대신, 삼각 대칭성을 갖는 고품위의 양자점을 최초로 구현함으로써 질소화합물 반도체 양자점의 대칭성을 정교하게 제어하는 데 성공했다.

연구팀은 제작된 나노 구조체의 발광을 분석하기 위해 공간분해능이 수 나노미터 수준으로 좋은 주사전자현미경을 이용해 발광을 측정, 삼각 피라미드의 꼭지점에 양자점이 안정적으로 형성되었음을 확인했고, 시간에 따른 광자 간 상관관계 측정을 통해 양자광이 방출되는 것을 실험적으로 관측했다.

또한, 성장된 양자점의 비대칭성 정도를 가늠할 수 있는 양자광의 편광도와 미세구조 분리 정도를 측정해 높은 대칭성을 갖는 삼각 양자점이 형성되었음을 실험적으로 확인했으며, 이를 이론적 계산 결과와 비교함으로써 측정 결과의 타당성을 확보했다.

< 그림 1. 수 나노미터 수준의 공간분해능을 갖는 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 실제로 제작된 단일 나노구조체의 발광특성을 실험적으로 측정한 데이터. 발광 스펙트럼을 분광하기 전 발광 형태는 삼각 피라미드의 가운데에서 빛이 강하게 방출됨을 확인. 분광 후 각각 다른 파장에서 발광을 관찰하였을 때, 옆면의 발광파장(420 nm)과 꼭지점에 형성된 양자점(QD)의 발광파장(480 nm)이 확실히 구분되는 것을 통해 양자점이 정확히 삼각 피라미드의 꼭지점에 형성되었음을 확인함. >

이번 연구에서는 기존에 질화물 반도체 양자점의 비대칭성과 높은 편광도를 이용해 상온 단일광자 방출기 제작에 집중해 오던 방식에서 벗어나, 양자점의 대칭성을 정밀하게 조절해 편광얽힘 광자쌍 방출기로도 응용 가능함을 제안했다. 또한 범용 반도체 박막 증착장비와 미세 패턴 기술을 사용했기 때문에 산업적인 측면에서 확장성이 높을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 조용훈 교수는 "반도체 양자점을 제작하는 과정에서 발생하는 양자점의 비대칭성을 효과적으로 제어하여 양자점 내부의 미세 에너지 구조를 정교하게 조절할 수 있음을 보여준 결과”라며, “상온에서도 동작이 가능한 질소화합물 반도체 양자점을 이용해 편광얽힘 광자쌍 방출소자와 같은 차세대 양자광원 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 의미를 말했다.

< 그림 2. 반도체 양자점 내부에 형성된 전자와 정공의 결합으로 인해 광자를 방출하게 되는데, 교환상호작용(exchange interaction)에 의해 전자와 정공의 스핀이 서로 다른 두 상태에 대하여 에너지 준위가 분리되는 현상을 미세구조분리(Fine Structure Splitting, FSS)라 함. (a) 대칭성이 좋은 (symmetric) 단일 양자점에서는 exciton(X)-biexciton(XX) cascade 과정을 이용하면 편광얽힘 광자쌍 양자광원 제작이 가능함. (b) 대칭성이 좋지 않은 (asymmetric) 단일 양자점에서 미세구조분리 현상이 일어나게 되면 편광얽힘상태를 유지하기 어려워짐. (그림에서 H와 V는 각각 수평 및 수직 편광 빛을 나타냄.) (c) 육각형 결정구조(Wurtzite crystal structure)를 갖는 질소화합물 반도체에서 (위) 일반적으로 나타나는 육각 대칭성을 갖는 경우 결정면을 그대로 유지하더라도 비균일한 (길게 늘어진) 양자점이 쉽게 형성하게 됨. (아래) 삼각 대칭성을 갖는 경우 결정면을 그대로 유지하게 되므로 균일한 양자점 모양을 유지할 수 있음. >

우리 대학 물리학과 여환섭 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 삼성미래기술육성사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 나노분야 국제 학술지인 `나노 레터스(Nano Letters)' 12월 9일 字에 보충 표지와 함께 정식 출간됐다. (논문명: Control of 3-fold symmetric shape of group III-nitride quantum dots: Suppression of fine structure splitting / 질소화합물 반도체 양자점의 삼각 대칭적 모양 제어: 미세구조 분리현상의 완화)

< 그림 3. 나노 레터스 연구내용 커버 이미지 >