폴라리톤 레이저 빛 "상온에서 본다"
폴라리톤 레이저 빛 "상온에서 본다"
  • 함예솔
  • 승인 2019.05.15 22:10
  • 조회수 1167
  • 댓글 0
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'플라리톤 레이저 소자 기술'은  차세대 광원 기술. 출처: fotolia
'플라리톤 레이저 소자 기술'은 차세대 광원 기술. 출처: fotolia

폴라리톤(Polariton)이란?

  • 폴라리톤이란 빛과 전자의 두 성질을 가진 입자의 명칭입니다. 결정에 빛을 대면 빛에서 에너지를 받아 이탈한 전자와 그 후에 생기는 홀이 재결합해 빛을 반사하고 이 빛이 또 전자와 홀을 만드는 현상이 공명하며 출현하는 것을 말합니다. 

연구 배경은? 

  • 반도체 내 생성되는 엑시톤(Exciton)이 빛과 강하게 작용하면 빛과 물질의 중간적 특성을 띄는 준입자 '엑시톤-폴라리톤' 양자상태가 생성됩니다.  이는 빛과 엑시톤이 갖는 장점들을 동시에 갖습니다.
  • 엑시톤이란 빛에 의해 형성된 전자(electron)와 정공(hole)이 결합한 준입자(quasi-particle)입니다. 
  • 이를 이용해 레이저 빛을 생성하는 기술인 '플라리톤 레이저 소자 기술'은 초저전력 구동이 가능해 차세대 광원 기술로 주목받고 있습니다.
  • 하지만 극저온에서만 안정적인 엑시톤을 상온에서 제어하기에 어려움이 있었습니다.  

뭘 개발했나?

  • DGIST 신물질과학전공 조창희 교수팀이 극저온에서만 관찰 가능했던 폴라리톤 레이저 빛을 상온에서도 볼 수 있게하는 레이저 소자 기술을 개발했습니다. 
  • 이번 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다. 
양자우물을 가진 반도체 나노막대의 구조 및 나노레이저 이미지. 출처: DGIST
양자우물을 가진 반도체 나노막대의 구조 및 나노레이저 이미지. 출처: DGIST

어떻게 조사했나?

  • 연구진은 '양자우물(Quantum Well)'을 활용했습니다. 양자우물은 전자가 쉽게 빠지는 공간이라는 의미에서 지어졌습니다.
  • 연구진은 나노 구조 반도체 옆면에 양자우물을 만들어 극저온에서만 안정적이던 엑시톤을 상온에서도 안정적으로 유지시키는데 성공했습니다. 
폴라리톤 레이저 방출 스펙트럼과 온도에 따른 레이징 임계치 특성. 출처: DGIST
폴라리톤 레이저 방출 스펙트럼과 온도에 따른 레이징 임계치 특성. 출처: DGIST

특이한 점은?

  • 양자우물 구조는 나노구조 반도체 내 엑시톤과 빛의 결합 세기를 기존보다 높여 더 효율적이고 안정적인 엑시톤-폴라리톤 양자상태 형성에도 많은 기여를 했습니다. 
  • 이는 연구진이 상온에서 안정적이며 기존 나노레이저 구동전력의 10분의 1 수준의 전력만으로 구동하는 폴라리톤 나노레이저를 개발하는데 큰 도움이 됐습니다. 

이 연구가 왜 중요할까?

  • 이번 연구는 열적으로 안정적인 엑시톤 특성을 확보하기 위해 양자우물 구조를 도입하고 상온에서도 매우 우수한 엑시톤 특성을 갖게 해 엑시톤-폴라리톤의 결합세기를 크게 증가시켰습니다. 광펌핑 실험을 통해 양자우물을 가진 반도체 나노막대에서 레이징 특성이 엑시톤-폴라리톤에 기인함을 명확히 입증했습니다.
  • 또한 기존 나노레이저의 레이징 임계치보다 10배 이상 낮아질 수 있음을 증명했습니다. 
  • 이번 연구는 다양한 나노광학시스템에서의 엑시톤-폴라리톤 현상을 연구하는데 활용되거나 광 집적회로, 양자 컴퓨팅 기술 등으로 응용이 기대됩니다. 
조창희 교수. 출처: DGIST
조창희 교수. 출처: DGIST

 

"이번에 개발하게 된 나노구조 반도체는 상온에서 엑시톤의 특성유지가 가능해 이를 이용한 상온 작동이 가능한 폴라리톤 나노레이저까지 구현하게 됐습니다. 무엇보다도 엑시톤-폴라리톤과 관련된 물리적 현상을 상온에서도 연구할 수 있는 연구 환경 구축에 기여할 수 있어 매우 기쁩니다"

-DGIST 신물질과학전공 조창희 교수- 

 

 


##참고자료##

 


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