양자광원 상온에서 골라서 생성한다
양자광원 상온에서 골라서 생성한다
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.06.22 12:00
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기존 액체질소나 액체헬륨, 온도제어장비 같은 번거로운 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술이 소개됐습니다. 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박경덕 교수(울산과학기술원, 제1저자 이형우 연구원), 노준석 교수(포항공대, 공동 제1저자 김인기 박사) 공동연구팀(공저자 성균관대 정문석 교수, 고려대 박홍규 교수 등)이 2차원 물질의 양자광원을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔는데요.

(그림1) 상온 양자광원 생성을 묘사하는 그림나노광학공진기의 부분 변형을 통해 엑시톤이 가둬지는 것을 흰 점 (엑시톤)이 소용돌이 가운데로 빨려들어 가는 것으로 표현. 이 위에 탐침증강 광발광 나노현미경이 더해져 삼중안테나가 생성되었다. 궁극적으로 이를 통해 생성되는 단일 양자광원은 꽃으로 표현하였는데, 이는 양자광학의 꽃이라고도 할 수 있는 단일 양자광원을 의미한다.그림설명 및 그림제공 : 울산과학기술원 박경덕 교수
(그림1) 상온 양자광원 생성을 묘사하는 그림나노광학공진기의 부분 변형을 통해 엑시톤이 가둬지는 것을 흰 점 (엑시톤)이 소용돌이 가운데로 빨려들어 가는 것으로 표현. 이 위에 탐침증강 광발광 나노현미경이 더해져 삼중안테나가 생성되었다. 궁극적으로 이를 통해 생성되는 단일 양자광원은 꽃으로 표현하였는데, 이는 양자광학의 꽃이라고도 할 수 있는 단일 양자광원을 의미한다.그림설명 및 그림제공 : 울산과학기술원 박경덕 교수

소자의 광원으로 실제 활용하기 위해서는 임의의 위치에 무작위로 존재하는 양자광원*의 위치를 제어하는 것이 필요했습니다. 저온에서만 양자광원의 생성과 검출이 가능한 것도 극복해야 할 과제였습니다. 기존 나노광학 공진기는 광원의 위치는 제어할 수 있지만 공간 분해능**에 제약이 있었고, 탐침증강 광발광 나노현미경은 분해능은 높지만 양자광원 생성은 어려웠습니다. 

* 양자광원 : 물질 내부의 불연속적인 전자에너지 구조에서 방출하는 양자화된 빛

** 공간분해능 : 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 능력. 공간분해능이 높을수록 가까이 붙어있는 물체를 분간할 수 있다.

 

이에 연구팀은 이 둘을 결합, 공진-나노현미경이라는 새로운 개념을 이용한 빛 제어 및 측정 시스템을 설계했습니다. 선행연구를 통해 연속 도미노 리소그래피 공정으로 원자수준으로 뾰족한 나비넥타이 형태로 나노광학 공진기를 제작해 2차원 반도체 물질의 양자광원을 원하는 위치에서 생성할 수 있도록 만들었습니다. 이번 연구에서는 이 공진기에 광발광 나노현미경을 결합, 삼중 안테나*** 효과를 유도함으로써 높은 효율로 양자광원을 생성, 상온에서 약 15나노미터(머리카락 두께의 약 만분의 일)의 공간분해능 으로 양자광원을 검출할 수 있었습니다. 

*** 삼중안테나 효과 : 세 개의 안테나를 통해 형성된 공진기 구조를 통해 더욱 강하게 빛을 집속시키는 효과

(그림2) 공진-나노현미경을 이용한 상온 양자광원 측정 결과                   (왼쪽) 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침 위치를 조절해가며 측정한 스펙트럼. 삼중 안테나 구조가 형성이 되는 가운데 부근에서 단일 양자광원의 발광이 관찰된다. (오른쪽) 가운데 부근에서 보다 정밀하게 단일 양자광원의 경향성을 관찰한 스펙트럼.그림설명 및 그림제공: 울산과학기술원 박경덕 교수
(그림2) 공진-나노현미경을 이용한 상온 양자광원 측정 결과 (왼쪽) 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침 위치를 조절해가며 측정한 스펙트럼. 삼중 안테나 구조가 형성이 되는 가운데 부근에서 단일 양자광원의 발광이 관찰된다. (오른쪽) 가운데 부근에서 보다 정밀하게 단일 양자광원의 경향성을 관찰한 스펙트럼.그림설명 및 그림제공: 울산과학기술원 박경덕 교수

실제 이렇게 만들어진 양자광원은 안테나 효과를 적용하지 않은 반도체 양자광원 대비 밝기가 4 만 배 강해지는 것을 확인했는데요. 삼중안테나 효과를 적용한 LED 한 개에서 방출되는 빛이 기존 LED 4만개에서 방출되는 빛의 밝기와 같아지는 셈입니다. 연구팀은 양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 또한 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있습니다. 현재는 양자광원의 안정성과 품질을 더욱 높이기 위해 연구팀은 다양한 플라즈모닉 구조를 대상으로 비교연구를 수행합니다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업과 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료물리 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 6월 18일 게재(온라인)되었습니다.


주요내용 설명

1. 연구의 필요성

  • 양자정보기술의 핵심요소인 단일 양자광원은 온도가 올라갈수록 안정성과 양자수율이 극한으로 떨어지기 때문에 대부분 저온에서 검출되었으나 실질적인 응용을 위해서는 상온 생성 및 검출이 매우 요구됨.
  • 2차원 반도체의 부분적 변형을 유도하여 단일 양자광원을 회절한계보다 작은 원하는 지점에 유도할 수 있는 기술이 개발되었지만 회절한계로 인해 양자광원이 생성되는 지점만을 측정하는 것은 불가능.
  • 소자의 실용화 및 축소화를 위해서는 상온에서 단일 양자광원을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 회절한계를 넘는 초고분해능을 통한 정확한 검출능력 또한 요구됨.

 2. 연구내용 

  • 기존의 연구들에서 나노광학공진기와 탐침증강 광발광 나노현미경을 다른 분야로 존재하고 있었으며 각각 고유의 한계점을 가지고 있었음.
  • 본 연구에서는 나노광학공진기와 탐침증강 광발광 나노현미경을 결합한 ‘공진-나노현미경’이라는 새로운 개념의 빛 제어 및 측정시스템을 개발.
  • 나노광학공진기의 정밀 공정을 이용하여 원하는 지점에 2차원 반도체 물질의 엑시톤을 가둬 단일 양자광원을 유도하고, 탐침증강 광발광 나노현미경의 초고분해능 해상도(약 ~15 nm)를 이용하여 단일 양자광원 생성 지점만을 정확하게 탐지함.
  • 더 나아가 나노광학공진기와 탐침증강 광발광 나노현미경이 결합되며 형성된 삼중안테나 시스템은 강력한 퍼셀 효과 (Purcell effect)를 통해 단일 양자광원의 발광 양자수율을 매우 높이게 되는데, 이를 통해 상온에서 단일 양자광원을 검출하는데 성공함.

3. 기대효과

  • 본 연구에서는 나노광학공진기와 탐침증강 광발광 나노현미경을 결합한 ‘공진-나노현미경’ 이라는 새로운 개념의 빛 제어 및 측정 시스템을 통해 상온에서 단일 양자광원을 유도하고 검출하는데 성공함.
  • 이는 지금까지 양자정보기술 상용화에 큰 과제 이였던 상온에서의 검출을 현실화했을 뿐만 아니라 두 분야의 융합 가능성을 제시하여 새로운 분야로의 확장을 유도함.
  • 탐침증강 광발광 나노현미경이 가지는 ~15 nm 수준의 초고분해능을 통하여 기존의 회절한계를 넘어서는 작은 지점에서의 단일 양자광원 유도를 넘어서 이를 직접적으로 검출하는데 성공하여 향후 개발될 소자의 축소화에 큰 기여가 될 것으로 생각됨.
  • 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침 위치는 ~0.2 nm 수준으로 정밀제어가 가능하여 삼중 안테나 구조에 의해 증가되는 퍼셀 효과 또한 조절이 용이함. 이는 더 나아가 단일 양자광원에 대한 제어까지 의미함.

용어 설명

1. 나노광학공진기

플라즈모닉 나노구조로 제작한 광 공진기(optical resonator)

2. 광방출 (photoluminescence)

물질이 빛에 의해 자극 받아 스스로 빛을 내는 현상

3. 탐침증강 광발광 나노현미경 (tip-enhanced photoluminescence spectroscopy)

플라즈몬 현상에 의해 금으로 제작된 탐침 끝에서 빛의 나노광학 안테나 효과가 일어나며, 이를 이용해 시료의 광발광을 증강시키는 방식의 나노분광현미경

4. 플라즈몬

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 함.

5. 엑시톤 (exciton)

절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍 임. 반도체 물질의 광발광 현상을 일으키는 준입자. 

6. 발광 양자수율 (photoluminescence quantum yield) 

발광은 물질이 빛에 의해 자극 받아 스스로 빛을 내는 현상. 양자수율은 광화학 반응에서 실제로 화학 변화를 일으킨 분자 수와 흡수된 광양자 수의 비.

7. 퍼셀 효과 (Purcell effect)

발광 분자가 공진기 내에 위치했을 때 자발방출률이 증가하는 효과


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