양자물질 전자기적 성질 조절하는 차세대 광소자 기술 세계 첫 구현

서울대·칼텍 연구팀

박제근 서울대 물리천문학부 교수. 과기정통부 제공.

국내 연구진이 강한 빛으로 자성을 띠는 2차원 물질의 특성을 원하는 대로 바꾸는 데 세계최초로 성공했다. 

과학기술정보통신부는 박제근 서울대 물리천문학부 교수팀과 데이비드 셰이 캘리포니아공대(칼텍) 물리학부 교수팀이 양자 물질의 전기적·자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계최초로 구현했다고 9일 밝혔다. 

연구팀은 자성 반데르발스 물질인 삼황화인망간(MnPS3)을 대상으로 실험을 수행했다. 자성 반데르발스 물질은 자성을 띠는 2차원 물질로, 각 층이 약한 반데르발스 인력으로 결합돼 ‘자성 그래핀’이라고도 불린다. 박 교수는 2016년 이 물질을 처음으로 개발했다.

연구팀은 삼황화인망간에 1m당 10억V 이상의 강한 빛을 가했다. 이 물질에 강한 빛을 쬐면 발열이나 손상이 발생할 수 있어서 이전까지는 1m당 1000만V 이하의 약한 빛에서만 실험이 이뤄졌다.

실험 결과, 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 확인했다. 또 구조 계산을 통해 실험값과 이론값이 일치함을 규명했다. 

이번 연구에서 강한 빛을 가했다는 것 외에도 양자 플로켓 공학 기술을 세계최초로 구현했다는 데 의미가 크다. 플로켓 공학 기술은 빛의 세기와 편광을 조절해 얻은 ‘2차 고조파 발생’의 세기에 따라 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술이다. 

이 기술은 재료과학과 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다. 특히, 기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자 소자로 대체할 수 있다. 광전자 소자는 열 손실을 크게 줄여 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있으며, 저탄소사회로 가는 데 중요한 핵심기술로 주목받고 있다.

박 교수는 “플로켓 공학 기술을 2차원 양자 물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등의 지원으로 수행된 이 연구결과는 국제학술지 ‘네이처’ 9일자에 게재됐다.

[서동준 기자 bios@donga.com]