빛처럼 빠른 양자 소자 제작···'맥놀이 현상' 제어 성공

최현용 교수 "초고속·고효율 양자 소자 제작"
양자 맥놀이 현상(왼쪽), 선형편광을 이용한 양자 맥놀이 현상 제어(오른쪽).<사진=한국연구재단 제공>양자 맥놀이 현상(왼쪽), 선형편광을 이용한 양자 맥놀이 현상 제어(오른쪽).<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 빛처럼 빠른 새로운 양자 소자의 제작 가능성을 확인했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 최현용 연세대학교 교수 연구팀이 빛이 특정한 방향으로 진동하는 편광 현상을 통해 양자 맥놀이 현상을 제어했다고 7일 밝혔다.

맥놀이란 고전적으로 소리굽쇠에서 두 음파가 중첩돼 진동하면서 전체 음파 세기가 커졌다가 작아지기를 반복하는 현상을 말한다. 양자 맥놀이는 에너지 크기가 비슷한 두 양자의 결맞음 중첩으로 인해 주기적인 진동이 나타나는 현상이다.

원자가 한 겹으로 나열돼 매우 얇은 2차원 반도체는 뛰어난 강도, 전기전도도 등의 특성으로 인해 여러 분야에 응용될 것으로 기대된다. 그중에서도 최근 주목받는 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 화합물은 특정 파장대의 빛을 흡수하고 전류로 변환하는 특성이 있어 반도체 소자나 광소자로서의 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

하지만 디칼코게나이드 화합물은 두 엑시톤(반도체 물질이 빛을 흡수해 만들어지는 양자 상태) 간의 에너지 차이가 너무 커 양자 결맞음 현상이 일어나지 않아 양자 소자에 관한 연구가 불가능하다고 인식돼 왔다.

연구팀은 이에 대한 해법으로 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 비슷한 서로 다른 두 엑시톤을 가지는 새로운 디칼코게나이드 화합물인 이황화레늄(ReS2)을 도입해 두 개 양자가 동시에 방출될 수 있는 방향으로 빛의 편광을 제어하면 양자 결맞음에 의한 양자 맥놀이 현상이 발생한다는 사실을 확인했다.

양자 맥놀이 현상은 펨토초(1000조분의 1초) 단위에서 발생하는 만큼 연구팀은 이를 확인하기 위해 1초 동안에 전달하는 에너지와 똑같은 값의 에너지를 1펨토초에 전달하는 초고속 레이저로 빛 파동을 주입했다.

실험을 통해 이황화레늄(ReS2)과 같은 비등방성 디칼코게나이드 화합물의 편광 제어를 통해 양자 맥놀이 현상을 제어할 수 있어 그동안 불가능하다고 여겼던 2차원 물질의 양자 현상을 최초로 확인했다.

최현용 교수는 "초고속 레이저의 편광을 조절해 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 양자 현상인 엑시톤 양자 맥놀이 현상을 제어하는 기술을 개발한 것"이라며 "머리카락보다 몇백 배 얇은 원자 두께의 반도체에서 관측함으로써 초고속·고효율 양자 소자 제작이 가능할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 24일 자로 게재됐다.
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