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집속 이온빔을 이용해 양자점 양자 광원의 순도 향상 기술개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 집속 이온빔을 이용해 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 형성된 단일 양자점(퀀텀닷)의 단광자 순도를 높이는 기술을 개발하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 기술은 향후 피라미드 꼭짓점 같이 위치를 정확히 제어하여 형성된 양자 광원뿐만 아니라 고밀도 양자점 기반 양자 광원, 전기 구동 양자점 기반 양자 광원 등 다양한 양자 광소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
양자 광원은 동시에 두 개 이상의 광자를 방출하지 않고 한 개의 광자씩만 방출하는 광원으로, 양자역학의 비복제 원리(no-cloning theorem)에 의해 단일 양자 정보를 복사할 수 없다는 점에서 해킹에 대해 안전한 양자 통신에 쓰일 수 있다. 특히 반도체 기반 양자점은 칩 상에 집적할 수 있고 전기 구동 또한 가능하다는 점에서 실용성이 높은 양자 광원으로써 널리 연구되고 있다.
하지만 반도체 양자점 기반 양자 광원에는 양자점 주변 구조에서 발생하는 배경 잡음(background signal)이 공존하게 되는데, 이러한 배경 잡음은 양자광으로서의 성질을 약하게 만들어 양자광이 해킹당할 가능성이 생기게 된다. 따라서 반도체 양자점을 실질적인 양자 광원으로 사용하기 위해서는 배경 잡음을 줄여 양자광의 신호 대 잡음비를 크게 만드는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.
기존의 연구들에서는 양자 광원 주변의 배경 잡음을 줄여 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 배경 잡음 신호가 나오는 부분을 에칭으로 제거하거나, 금속으로 막아버리는 등의 방법을 사용했다. 하지만, 이러한 방법들은 양자점의 양자광 신호를 감소시키거나, 양자점 주변의 구조를 파괴한다는 약점이 있었다.
조용훈 교수 연구팀은 집속 이온빔을 이용해 양자점 주변의 구조를 물리적으로 파괴하지 않고, 양자광 신호도 약화시키지 않은 채 배경 잡음 신호만을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했고, 이를 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 정교하게 형성된 양자점에 적용했다.
집속 이온빔 기술은 반도체 기술이나 생물학 등의 분야에서 에칭을 통한 나노 구조 제작이나 이미징 테스트를 위한 시료 제작 등에 널리 쓰여 왔다. 하지만 집속 이온빔을 빛을 내는 반도체 광소자나 광 집적회로를 제작하는 데 이용하게 되면, 이온 빔을 맞은 곳보다 훨씬 넓은 주변 영역에 이르기까지 결함 구조를 생성해 원하는 발광 신호를 크게 약화하는 문제가 있었다. 하지만 조용훈 교수 연구팀은 집속 이온빔의 종류와 조건을 정밀하게 조절하면 반도체 구조를 파괴하지 않으면서 배경 잡음 신호 만을 나노스케일의 공간해상도로 선택적으로 소광(luminescence quenching) 할 수 있다는 점에 착안했다.
이를 이용해 반도체 피라미드 구조의 꼭짓점에 있는 양자점 주변의 배경 잡음 신호를 나노스케일로 소광하는 데 성공했고, 이에 따라 나오는 발광 신호가 얼마나 양자광에 가까운지를 나타내는 지표인 단광자 순도를 크게 개선시켰다.
이는 양자점의 발광 신호와 구조체를 파괴하지 않고 배경 잡음만을 나노스케일로 소광할 수 있는 기술을 최초로 개발해, 피라미드 꼭짓점과 같이 위치가 제어된 양자점 뿐만 아니라 다양한 반도체 양자점 기반의 양자 광소자나 광 집적회로에서 원하지 않는 신호를 선택적으로 제거하여 소자의 성능을 높이는데 활용될 수 있는 결과라는 점에서 의미가 있다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 "집속 이온빔을 이용해 원하지 않는 주변 배경 잡음 신호를 선택적으로 소광할 수 있는 고분해능 기법을 개발했고, 이는 다양한 양자 광소자와 광 집적회로, 그리고 디스플레이 분야에도 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것ˮ이라고 말했다.
우리 대학 물리학과 최민호 박사과정과 전성문 박사과정이 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 나노 과학 분야의 세계적 학술지인 `ACS 나노 (ACS Nano)' 7월 27일 字에 정식 출간됐다. (논문명: Nanoscale focus pinspot for high purity quantum emitters via focused-ion-beam induced luminescence quenching)
2021.07.30 조회수 10667 -
양자 입자를 이용한 신개념 레이저 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 정육각형 모양의 반도체 막대 구조 안에서 상호작용이 높은 양자 입자를 생성해, 손실이 커질수록 발광 성능이 좋아지는 신개념의 시공간 대칭성 레이저를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 시공간 대칭성 레이저는 향후 고효율의 레이저 소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
어떠한 물리 시스템에서든 손실(loss)은 가능한 제거 하거나 극복해야 하는 대상으로 존재해왔다. 따라서, 이득(gain)이 필요한 레이저 시스템에서 손실이 있는 경우에는 작동에 필요한 최소 에너지(문턱 에너지)가 그만큼 증가하게 되므로 손실은 가능한 줄여야 하는 대상이었다.
하지만 양자역학에서 존재하는 시공간 대칭성(parity-time reversal symmetry) 및 붕괴 개념을 수학적인 유사성을 통해 광학 시스템에 적용하게 되면, 오히려 손실을 작동에 유익한 방향으로 이용할 수 있는 독특한 광학적 시스템이 탄생하게 된다.
기본적으로 빛은 서로 간의 상호작용이 존재하지 않기 때문에, 기존에는 빛을 이용한 시공간 대칭성을 갖는 광학 시스템을 구현하기 위해서 공간적으로 분리된 두 개 이상의 광학적 단위구조를 오차 없이 동일하게 제작해야 하고 이러한 단위구조들에 대하여 손실과 이득을 각각 개별적으로 조절해야 하는 까다로운 조건의 광학적 시스템을 이용해야만 했다.
한편, 빛은 반도체 내부의 엑시톤(전자-정공이 결합된 입자)과 오랜 시간 동안 머물면서 강하게 상호작용할 수 있는 적절한 조건이 성립되면, 엑시톤과 빛의 특징을 동시에 갖는 폴라리톤(엑시톤-폴라리톤)이라는 제3의 양자 입자를 생성할 수 있는데 엑시톤이 갖는 물질적인 성질로 인해 폴라리톤 사이의 상호작용이 커지게 된다. 특히, 질화물 반도체 기반의 정육각형 마이크로 공진기 구조를 이용하면 거울 없이도 내부 전반사의 원리를 통해 자발적으로 형성되는 빛의 모드와 엑시톤의 강한 상호작용으로 폴라리톤을 상온에서도 구현할 수 있다.
조용훈 교수 연구팀은 빛과는 달리 상호작용이 높은 폴라리톤을 이용해 단 한 개의 정육각형 마이크로 공진기 안에 존재하는 서로 다른 모드 사이의 상호작용을 직접적으로 제어할 수 있는 독자적인 방법을 고안했다.
육각 대칭성을 갖는 단일 공진기 내부에는 에너지가 동일하면서 정삼각형 및 역삼각형 형태의 경로를 갖는 두 개의 빛의 모드가 상호작용 없이 존재하게 되는데, 빛 대신 폴라리톤을 이용하면 엑시톤을 매개로 하여 두 개의 모드 사이에 직접적인 상호작용이 가능할 것이라는 점에 연구팀은 착안했다.
이 중 역삼각형 모드에 대해서만 손실 크기를 연속적으로 조절할 수 있도록 나비넥타이 모양으로 홈이 파여진 기판과 결합했는데, 이를 통해 손실이 증가할수록 작동에 필요한 에너지가 도리어 더 작아진다는 특이한 결과를 상온에서 관측하고 그 원인을 체계적으로 규명했다.
이는 일반적으로 손실이 클수록 작동에 필요한 에너지가 증가한다는 일반적인 직관과는 상반되는 결과로서, 기존에 빛을 이용한 시공간 대칭성 시스템의 복잡성과 한계를 극복하고 단 하나의 반도체 마이크로 공진기를 이용해 시공간 대칭성 레이저를 최초로 구현했다는 데 의미가 크다.
이와 같은 시공간 대칭성을 적용한 시스템은 제거하거나 극복해야 하는 대상이었던 손실을 오히려 이용해서 결과적으로 이득이 될 수 있게 해 주는 중요한 플랫폼이다. 이 플랫폼을 이용해서 레이저 발진 에너지를 낮추거나, 비선형 광소자 및 민감한 광센서 같은 고전적인 광소자뿐만 아니라 빛의 방향성을 제어할 수 있는 비가역적인 소자, 그리고 초유체 기반의 집적회로 양자 광소자에 응용될 수 있다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “폴라리톤이라는 양자 입자를 이용한 신개념 단일 마이크로 공진기 플랫폼으로서 복잡한 저온 장치 없이 시공간 대칭성과 관련된 기초연구의 문턱을 낮출 수 있는 기반이 될 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동할 수 있으면서도 손실을 이용한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”라고 말했다.
물리학과 송현규 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 삼성 미래기술육성사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 포토닉스 분야의 세계적 학술지인 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)' 6월 10일 字에 온라인 출간됐다. (논문명: Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity / 단일 마이크로 공진기를 이용한 상온 폴라리톤 non-Hermitian 시스템)
2021.06.11 조회수 64465