[베리타스알파=박병언 기자] 서강대 물리학과 장준익 교수 연구팀의 연구성과가 25일 응용물리 분야 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials (2025년 기준 JCR Impact Factor 19.0, 상위 4.8%)에 게재됐다고 밝혔다. 본 연구는 연세대 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며 한국연구재단의 지원(기초연구실 지원사업/개인기초연구 지원사업)을 받아 이뤄졌다.
스마트폰, 카메라, LED 조명, 태양전지. 이 모든 기술의 핵심에는 '빛과 물질의 상호작용'이 있다. 장준익 교수 연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 할라이드 페로브스카이트 (PEA)₂PbI₄에서 세계 최초로 '이광자 공명 라만 산란(Two-photon resonant Raman scattering, TRRS)' 현상을 관측하는 데 성공했다.
빛의 입자인 광자 두 개가 동시에 반도체 물질에 들어가서 '쌍엑시톤(biexciton)'이라는 에너지 상태를 거쳐 다시 튕겨 나오면서 원래와는 다른 색의 빛을 만들어 내는 현상에 해당한다. 이는 두 사람이 트램펄린 위에서 동시에 뛰어 한 사람이 더 높이 튀어 오르는 모습에 비유할 수 있는 양자역학적 현상이다. 연구팀은 TRRS 현상이 나타나는 조건 즉 특정한 빛의 세기(문턱값), 온도 범위, 그리고 빛의 편광 조건을 체계적으로 규명했다.
기존에는 CuCl, CuBr 등 일부 와이드갭 반도체에서 액체 헬륨 온도(영하 269°C 수준)에 가까운 극저온에서만 TRRS 현상이 관측됐다. 그러나 연구팀은 2차원 페로브스카이트의 강한 양자적/유전적 구속 효과를 활용해 영하 183°C(약 90K) 즉 액체 질소 온도 이상에서도 이 현상을 구현하는 데 세계 최초로 성공했다. 이는 해당 소재가 매우 뛰어난 비선형 광학 특성을 지니고 있음을 보여준다.
본 연구는 2차원 페로브스카이트가 강한 쌍엑시톤을 기반으로 한 다양한 비선형 광학 현상의 플랫폼으로 기능할 수 있음을 보여준다. 쌍엑시톤 기반 비선형 광신호 처리, 정밀 엑시톤 공명 분광, 양자 광통신/광소자 응용 등으로의 확장이 기대되며 브롬/염소계 페로브스카이트로 소재를 전환할 경우 더 강한 쿨롱 결합으로 인해 보다 높은 온도에서의 TRRS 구현도 가능할 것으로 전망된다. 연구팀은 단층 전이금속 디칼코게나이드 등 여타 2차원 소재로의 확장 가능성 또한 제시하며 궁극적으로 상온 동작 쌍엑시톤 기반 양자 광학 소자 개발을 향한 중요한 이정표를 마련했다.
서강대 물리학과 장준익 교수 연구팀의 연구성과가 25일 응용물리 분야 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐다./사진=서강대 제공
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