'양자물질 성질 조절' 차세대 광소자 기술 세계 최초 구현

박제근 서울대 물리학과 교수 사진=과학기술정보통신부

국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학(Floquet engineering) 기술을 세계 최초로 구현했다.

기존 실리콘 기반 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체하는 등 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 전망된다.

과학기술정보통신부는 박제근 교수 연구진(서울대 물리천문학부)과 D. Hsieh 교수 연구진(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질 전기적·자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계 최초로 구현했다고 8일 밝혔다.

연구진은 벌집 형태 평면구조를 지닌 절연체 삼황화린망간(MnPS3)에 강한 빛(>109V/m)을 가해 이 물질 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인했다. 또 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 규명했다.

강한 주기적 구동에 의한 2차 고조파 발생 세기 감소 및 빛 세기와 편광에 대한 의존성 실험값과 이론 계산값 사진=과학기술정보통신부

기존 연구에서는 강한 빛으로 인한 발열이나 손상 우려 때문에 약한 빛(~107 V/m)만을 이용한 반면 이번 연구는 강한 빛(>109V/m)을 이용해 실험적으로 구현했다는 점에서 의미가 있다.

특히 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학 기술이 실제로 구현 가능하다는 것을 입증한 첫 사례로 평가된다.

이는 재료과학 또는 광학 분야에서 향후 높은 활용도로 이어질 전망이다.

기존 실리콘 기반 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있으며 이 경우 열 손실을 크게 줄여 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

박제근 교수는 “이번 연구 성과는 플로켓 공학 기술을 2차원 양자물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

한편 과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 9일 게재됐다.

이인희기자 leeih@etnews.com