KAIST, 고성능 맞춤형 ‘양자광원’ 플랫폼 개발

조용훈 KAIST 물리학과 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 양자정보통신 기술에 필수적인 양자광원을 구현하기 위한 플랫폼으로 반도체 양자점이 주목 받고 있다. 양자점을 이용하면 빛의 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생하는 단일광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다. 하지만 양자점과 광학적 특성이 꼭 들어맞는 공진기 구조를 정밀하게 설계하고 결합해야만 발광 성능이 우수한 단일광자 발생기를 만들 수 있다.

카이스트(KAIST)는 물리학과 조용훈(사진) 교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI) 고영호 박사 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 송진동 박사 연구팀과 함께 고성능의 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 식각과 같은 파괴적인 공정없이 맞춤형으로 만들 수 있는 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

공동 연구팀은 고밀도 양자점 중에서 단 하나의 양자점을 선별해 내는 비파괴적인 선택 방법을 고안하고, 이렇게 선택된 양자점의 광학적 특성을 분석해 그 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기를 양자점 위치에 맞춰 제작하는 방식으로 접근했다.

조용훈 교수 연구팀은 최근 개발한 집속이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법을 고밀도 양자점에 적용했다. 이는 집속 이온빔을 약하게 조사하면 시료가 깎여 나가지 않지만 이온빔을 맞은 부분에는 빛을 내지 못하게 되는 ‘소광(quenching)’이 일어나는 현상을 이용한 것이다.

고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사하면 이온빔을 맞은 도넛 패턴 위의 양자점들은 소광되는 것을 확인하고, 도넛 패턴의 안쪽 지름을 더욱 줄여가면서 최종적으로 정중앙에 있는 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는데 성공했다.

고밀도 양자점으로부터 고성능 맞춤형 양자광원을 다량 제작하는 모식도.[KAIST 제공]

이렇게 의도한 위치에 남겨진 단일 양자점의 광학적 특성을 조사한 후에 그 특성에 꼭 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞추어 제작함으로써 단일 광자의 방출효율을 훨씬 높이고 빛의 방향성을 제어할 수 있었다.

조용훈 교수는 “기존 단광자 순도가 낮거나 밀도를 조절하기 어려워 외면받던 고밀도 양자점 시료들에 대해서 고성능 양자광원을 맞춤형으로 구현할 수 있는 방법”이라며 “원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있기 때문에 대규모 양자 광학 플랫폼의 개발에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 3월 22일 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com