왼쪽부터 남궁선 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수, 김제형 교수, 사티아브라트 베헤라 연구원, 문종성 연구원. UNIST 제공
양자 과학기술 대다수는 양자 상태의 광자(빛의 입자) 하나를 제어하는 데서 출발한다. 국내 연구팀이 그동안 전기 스위치로 단일양자광원을 켜거나 끌 때 광원 품질이 떨어지는 고질적 문제를 해결하는 데 성공했다. 성능 지표인 단일 광자 순도는 94%를 달성했다.
울산과학기술원(UNIST)은 남궁선·김제형 물리학과 교수팀이 '스타크 효과'를 억제한 2차원 반도체 기반 고순도 단일 양자 광원을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구결과는 11일(현지시간) 국제학술지 '나노 레터스'에 공개됐다.
단일 양자 광원은 나노초(ns, 10억분의 1초) 단위로 짧은 순간에 단 하나의 광자를 방출하는 장치다. 형광등 같은 일반적인 광원은 보통 1초에도 셀 수 없이 많은 광자를 내놓는다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신 등 차세대 양자 기술은 단일 광자의 양자 상태를 제어하는 것이 관건이다.
단일 양자 광원 실용화를 위해서는 전기적 신호로 개별 광원을 독립적으로 켜고 끌 수 있는 양자광 스위칭 기술이 필수로 평가된다.
스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이다. 광자 에너지가 달라지면 의도와 다른 광자로 취급돼 원하는 양자 현상이 제대로 일어나지 않는다. 여러 광원이 집적될수록 스타크 효과로 인한 장벽이 높아진다.
연구팀이 개발한 단일양자광원 모식도. 피라미드 모양 구조체 끝부분에서 단일 광자가 방출된다. UNIST 제공
연구팀은 광원 내부에 미세한 공기층을 만들어 스타크 효과를 억제했다. 피라미드 모양의 뾰족한 실리콘 구조체 위에 얇은 산화알루미늄 절연층을 코팅하고 그 위에 2차원 반도체인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)를 올린 형태다.
실리콘의 뾰족한 끝부분과 반도체 사이에 구현된 미세 공기층이 반도체로 전달되는 전기장을 약 20분의 1 수준으로 줄여 광자의 에너지 변화를 억제하는 원리다.
단일 양자 광원에서는 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 존재해 성능을 저해한다. 확률이 0.5 이하기만 해도 단일 양자 광원으로 간주하고 0에 가까울수록 단일 광자 순도가 높다.
연구팀이 개발한 구조체에 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막을 추가하자 주변 결함에서 발생하는 배경 발광이 크게 줄어 다중 광자 방출 확률이 0.37에서 0.06까지 줄었다. 94% 순도로 단일 광자를 생성한다는 의미다.
연구팀은 "전기 신호로 단일 광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고 순도까지 함께 개선한 구조를 제시했다"며 "실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자컴퓨팅, 양자 광학센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
- doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05425
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