양자정보통신에 필수적인 양자광원을 구현하기 위한 플랫폼으로 반도체 양자점이 주목받고 있다. 양자점을 이용하면 빛의 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생하는 단일광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다.
양자점은 수~수십 나노미터 크기로 이루어진 반도체다. 내부에 형성된 엑시톤(전자와 정공의 복합체)의 에너지 준위 특성이 원자와 비슷하다. 단일 양자점의 엑시톤이 재결합하면서 방출하는 빛은 단 하나의 광자로 구성돼 있다.
이 단일 광자원은 서로 다른 양자 노드를 연결하는 양자 네트워크를 구현하거나 양자 통신을 구현하는 데 필수적인 구성 요소다.
KAIST는 고성능의 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 식각과 같은 파괴적 공정없이 맞춤형으로 다량 제작할 수 있는 원천 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
카이스트 물리학과 조용훈 교수 연구팀과 한국전자통신연구원(ETRI) 고영호 박사 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 송진동 박사 공동 연구팀은 고밀도 양자점 중 단 하나의 양자점을 선별하는 비파괴적 선택 방법을 고안했다.
이렇게 선택된 양자점의 광학적 특성을 분석, 그 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기를 양자점 위치에 맞추어 제작하는 방식으로 접근했다.
조용훈 교수 연구팀은 최근 개발한 집속 이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법을 고밀도 양자점에 적용했다. 집속 이온빔을 약하게 쬐면 시료가 깎여 나가지 않지만 이온빔을 맞은 부분엔 빛을 내지 못하게 되는 '소광(quenching)'이 일어나는 현상을 이용한 것이다.
고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사해 이온빔을 맞은 도넛 패턴 위의 양자점들이 소광되는 것을 확인했다.
또 도넛 패턴의 안쪽 지름을 더욱 줄여가면서 최종적으로 정중앙에 있는 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는데 성공했다.
이렇게 의도한 위치에 남겨진 단일 양자점의 광학적 특성을 조사한 후 그 특성에 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞추어 제작해 단일 광자의 방출 효율을 높이고 빛의 방향성을 제어할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
고밀도 양자점으로부터 고성능의 맞춤형 양자광원을 다량 제작하는 모식도 (자료=KAIST)
초정밀 나노 소광 기술은 식각을 하지 않는 비파괴적인 방식이어서 시료 전체의 표면 상태를 그대로 유지할 수 있고 맞춤형으로 설계된 공진기 구조를 표면 위에 직접 형성할 수 있었기에 가능했다는 것이다.
조용훈 교수는 "기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도를 조절하기 어려워 외면받던 고밀도 양자점 시료들에 대해 고성능 양자광원을 맞춤형으로 구현할 수 있는 방법"이라며 "원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있기 때문에 대규모 양자 광학 플랫폼 개발에 돌파구가 될 것"이라고 말했다.
이 기술을 이용해 기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도가 높아 외면받던 양자 광원 플랫폼들의 한계를 극복할 수 있으며, 이미징이나 디스플레이 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 재료과학분야의 권위있는 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)'온라인판에 최근 게재됐다.
SDG뉴스 임명재 기자