빛 한 알씩만 내보낸다…2차원 페로브스카이트 단일광자 광원 첫 구현

양자 통신과 양자 컴퓨팅에 필수적인 단일광자 광원이 2차원 페로브스카이트에서 처음으로 구현됐다. 결정 가장자리에 약한 빛을 쪼이면 광자가 한 번에 하나씩만 나온다. 게티이미지뱅크 제공

양자 통신과 양자 컴퓨팅의 핵심 부품인 '단일광자 광원'이 태양전지 소재로 유명한 페로브스카이트의 2차원 구조에서 처음으로 구현됐다.

서울대는 박홍규 물리천문학부 교수와 러티안 더우 미국 에모리대 교수, 페이준 궈 미국 예일대 교수 공동 연구팀은 2차원 페로브스카이트 결정의 가장자리에서 단일광자 방출을 확인하고 원리를 규명했다고 3일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 23일 게재됐다.

양자 암호, 양자 통신, 양자 컴퓨팅 같은 차세대 기술을 구현하려면 한 번에 광자를 딱 하나만 내보내는 단일광자 광원이 필수적이다. 기존에는 다이아몬드 결함 구조나 반도체 양자점이 유력한 후보였지만 광원을 원하는 위치에 정밀하게 만들기 어렵고 광학 소자와 결합하는 과정이 복잡해 실용화가 어려웠다.

연구팀은 2차원 페로브스카이트에 주목했다. 페로브스카이트는 차세대 태양전지 소재로 널리 알려진 물질로 2차원 구조로 만들면 빛을 가두는 양자 구속 효과가 뛰어나다. 원료 배합을 바꿔 원하는 특성을 자유롭게 만들 수 있고 용액에 녹여 넓은 면적에 값싸게 제작할 수 있다는 게 장점이다. 광자를 하나씩만 내보내는 단일광자 광원으로 쓸 수 있는지는 지금까지 거의 연구되지 않았다.

연구팀은 2차원 페로브스카이트 결정을 종이처럼 얇게 벗겨낸 뒤 결정 가장자리에 빛을 쪼였다. 일반적으로 물질에서 빛을 뽑아내려면 물질이 흡수할 수 있는 에너지보다 더 센 빛을 쏘아야 한다.

연구팀은 의도적으로 약한 에너지의 빛을 사용했다. 강한 빛은 결정 전체를 들뜨게 해 빛이 여기저기서 나오지만 약한 빛은 가장자리에만 있는 특수한 에너지 상태를 골라 자극할 수 있기 때문이다.

빛을 쪼인 결과 약한 빛으로 자극된 전하가 가장자리의 낮은 에너지 상태를 디딤돌 삼아 결정 속 깊은 곳의 특정 지점으로 모여들면서 아주 좁은 한 점에서만 빛이 나왔다. 마치 깔때기로 물을 한 곳에 모으듯 전하가 한 지점으로 집중되면서 광자가 한 번에 하나씩만 튀어나온 것이다.

연구팀은 광자가 나오는 시간 간격을 정밀하게 측정해 동시에 두 개 이상 나오는 경우가 없음을 확인하고 단일광자 광원임을 입증했다.

연구팀은 나노 구조를 이용해 결정 내부에 가장자리와 비슷한 구조를 인위적으로 만들어도 같은 현상이 나타남을 확인했다. 두께가 다른 여러 종류의 2차원 페로브스카이트에서도 같은 현상이 나타나 특정 물질에서만 되는 것이 아니라 폭넓게 적용할 수 있는 방법임을 확인했다.

박홍규 교수는 "값싼 용액 공정으로 만들 수 있고 원료 배합도 자유롭게 바꿀 수 있는 2차원 페로브스카이트를 단일광자 광원으로 처음 활용한 사례"라며 "앞으로 빛이 나오는 위치를 정밀하게 조절하고 전기로 작동하는 소자와 결합하면 양자 암호 통신이나 양자 컴퓨팅 같은 실용적인 양자 기술로 이어질 수 있다"고 말했다.

<참고> 
doi: 10.1038/s41467-026-71000-2

[임정우 기자 jjwl@donga.com]