반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술 개발
반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술 개발
  • 함예솔
  • 승인 2019.03.12 06:55
  • 조회수 482
  • 댓글 0
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소용돌이~~ 출처: pixabay
소용돌이~~ 출처: pixabay

양자 소용돌이?

 

  • 태풍이 일어나거나, 혹은 싱크대에서 물이 빠질 때 물이 소용돌이를 일으키며 회전하는 것처럼 초유체, 초전도체 같은 양자 유체도 소용돌이를 일으키며 회전할 수 있습니다.  
  • 이는 파동 함수의 위상(phase)이 소용돌이를 중심으로 원주율의 특정 배수가 되는 조건에서만 가능합니다. 이렇게 소용돌이가 불연속적으로 양자화되는 현상을 '양자 소용돌이'라고 합니다. 
  • 양자 소용돌이는 양자 유체역학을 연구하는데 가장 핵심적인 요소 중 하나입니다. 초유체의 에너지 손실 없이 회전할 수 있는 특성과 더불어 소용돌이의 회전 방향을 쉽게 뒤집을 수 없는 위상학(topology)적 안정성을 결합해 양자 소용돌이를 쉽게 생성하고 제어할 수 있다면 미래형 정보 소자로도 활용할 수 있습니다. 

 

엑시톤-폴라리톤 초유체와 양자소용돌이 상태의 생성. 출처: KAIST
엑시톤-폴라리톤 초유체와 양자 소용돌이 상태의 생성. 출처: KAIST

엑시톤-폴라리톤?

 

  • 반도체 내부에는 양자 유체인 엑시톤-폴라리톤이 존재합니다. 엑시톤-폴라리톤은 반도체 마이크로 공진기 구조에서 빛-엑시톤 사이의 강한 상호 작용에 의해 발생하는 새로운 보존 준입자입니다.
  • 반도체에 밴드갭보다 높은 에너지를 갖는 빛을 쬐면 전자-전공 쌍이 형성되고 서로 강하게 이끌리며 '엑시톤'을 형성합니다. 참고로 밴드갭이란 전도체의 가장 아랫 부분의 에너지 준위와 가전자대의 가장 윗부분의 에너지 준위 간의 에너지 차이를 말합니다.
  • 이러한 반도체에 높은 반사율을 갖는 거울 구조의 공진기를 결합하면 빛(광자)와 물질(엑시톤)이 강하게 상호작용하며 빛, 물질의 성질을 동시에 갖는 제3의 양자 물질을 만들 수 있는데 이를 '폴라리톤'이라고 합니다. 폴라리톤이 일정 밀도 이상 모이면 마치 하나의 입자처럼 행동하는 폴라리톤 응축 상태를 띌 수 있는데요. 이때 폴라리톤은 초유체의 특성도 갖게 됩니다.

 

양자소용돌이 제어. 출처: KAIST
양자 소용돌이 제어. 출처: KAIST

뭘 발견했는가?

 

  • KAIST 물리학과 조용훈, 최형순 교수 공동 연구팀이 반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술을 개발했다고 합니다.
  • 반도체 공진기 구조에서 '엑시톤-폴라리톤 응축'이라는 양자물질 상태를 형성한 후 새로운 광학적 방식으로 양자 소용돌이를 생성하고 제어하는 데 성공했습니다.

 

어떻게 조사했나?

 

  • 연구팀은 광-펌핑을 위해 사용한 레이저의 궤도 각운동량을 제어해 반도체 물질 내에 양자 소용돌이의 방향과 개수를 손쉽게 조절하는 방법을 개발했습니다. 광-펌핑이란 원자나 이온이 빛을 흡수해 낮은 에너지의 상태에서 높은 에너지 상태로 변화하는 현상을 말합니다. 
  • 생성된 양자 소용돌이 상태는 반도체 공진기 구조에서 비공진 여기광의 에너지, 세기, 크기, 모양에 크게 반응하지 않고 빛의 궤도 각운동량 정보에 민감하게 반응했습니다.

 

공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험조건을 극복했다. 출처: pixabay
공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험 조건을 극복했다. 출처: pixabay

특이한 점은?

 

  • 연구팀은 공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험 조건을 극복했습니다. 
  • 비공진 상태에서도 빛의 정보가 폴라리톤 물질 상태로 전달되는 현상을 이해하기 위한 단서를 제공합니다. 

 

이 연구가 왜 중요할까?

 

  • 비공진 레이저의 궤도 각운동량이 폴라리톤의 기저 상태에까지 영향을 끼친다는 것을 밝힌 이번 연구 결과는 반도체 공진기 시스템에서 전자-정공쌍의 에너지 완화 과정을 이해하는 데에 있어서도 중요한 결과입니다.
  • 이 결과는 고체 상태에서 광학적 방법을 이용한 미래형 정보 소자와 복잡한 양자 현상을 이해할 수 있는 양자 시뮬레이터로의 활용 가능성을 높였다는 측면에서 큰 의의가 있습니다.


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