2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도(사진 제공=UNIST)
| 이코노미사이언스 신지원 기자 |
전압으로 자유롭게 제어하면서도 광자 에너지는 흔들리지 않는 고순도 단일양자광원이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
UNIST 물리학과 남궁선·김제형 교수 연구팀은 전압 인가 시 광자 에너지가 변하는 ‘스타크 효과(Stark Effect)’를 억제한 2차원 반도체 기반 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다.
단일양자광원은 나노초 단위의 짧은 순간에 단 하나의 광자만 방출하는 장치로, 양자컴퓨팅과 양자암호통신에서 정보의 최소 단위로 활용된다. 다만 기존에는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자 에너지가 변하는 문제가 있었다. 이로 인해 서로 간섭해야 할 광자들이 ‘다른 입자’처럼 구별되면서 양자 정보 처리가 어려워지는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 ‘공기층’으로 풀었다. 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)를 올리고, 그 사이에 미세 공기층을 형성한 구조다. 이 공기층이 전기장을 주변 대비 약 20분의 1 수준으로 낮추면서, 전압을 가해도 광자 에너지가 변하지 않도록 했다.
성능도 개선됐다. 단일양자광원의 핵심 지표인 다중 광자 방출 확률은 0.06으로 측정됐다. 일반적으로 이 값이 0.5 이하이면 단일광자 특성을 인정받으며, 0에 가까울수록 순도가 높다. 이번 연구는 고품질 절연층을 통해 주변 결함에서 발생하는 배경 발광까지 줄이며 성능을 끌어올렸다.
(좌측부터) 남궁선 교수, 김제형 교수, 사티아브라트 베헤라 연구원, 문종성 연구원(사진 제공=UNIST)
연구팀 관계자는 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 에너지 안정성과 높은 순도를 동시에 확보한 구조”라며 “실리콘 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자통신, 광자 양자컴퓨팅, 양자 센서에 직접 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 3월 11일 온라인 게재됐다.
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