KAIST, 고성능 맞춤형 양자광원 플랫폼 개발

고밀도 양자점으로부터 고성능의 맞춤형 양자광원을 다량 제작하는 모식도(사진제공 공동연구팀)

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 전 세계가 양자기술에 주목하는 가운데, 국내 연구진이 고성능 맞춤형 양자광원 플랫폼을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI) 고영호 박사 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 송진동 박사 연구팀과 고성능 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 식각(화학약품의 부식작용을 응용한 표면가공 방법)과 같은 파괴적인 공정 없이 맞춤형으로 다량 만들 수 있는 원천 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

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

연구팀은 최근 개발한 집속 이온빔을 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 시료에서 비파괴적으로 단일 양자점 양자광원을 형성하는 초정밀 나노 소광 기술(사진제공 공동연구팀)

연구팀은 이를 통해 고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사하면 이온빔을 맞은 도넛 패턴 위의 양자점들은 소광 되는 것을 확인했고, 도넛 패턴의 안쪽 지름을 더욱 줄여가면서 최종적으로 정중앙에 있는 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는 데 성공했다.

연구팀은 이 같이 의도한 위치에 남겨진 단일 양자점의 광학적 특성을 조사한 후 그 특성에 꼭 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞춰 제작함으로써 단일 광자의 방출효율을 훨씬 높이고 빛의 방향성을 제어할 수 있었다.

이는 초정밀 나노 소광 기술이 식각을 하지 않는 비파괴적인 방식이기에 시료 전체의 표면 상태를 그대로 유지할 수 있었고, 맞춤형으로 설계된 공진기 구조를 표면 위에 직접 형성할 수 있었기에 가능한 일이었다.

KAIST 물리학과 조용훈 교수

이번 연구를 주도한 조용훈 교수는 “기존에 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 있기에 대규모 양자 광학 플랫폼의 개발에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

정보통신기획평가원과 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 재료 과학 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 온라인 판에 지난 3월22일 게재됐다.

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