양자점으로 만든 인공분자의 미세 에너지 구조 규명-미세 에너지 준위를 활용한 다양한 양자제어기술 응용가능

양자점으로 만든 인공분자의 미세 에너지 구조 규명-미세 에너지 준위를 활용한 다양한 양자제어기술 응용가능

 

등록일 2020.06.24.

 

양자점으로 만든 인공분자의 미세 에너지 구조 규명
미세 에너지 준위를 활용한 다양한 양자제어기술 응용가능

□ 국내연구진이 두 개의 양자점을 수평방향으로 결합시킨 인공분자를 제작, 양자제어에 활용할 수 있는 독특한 물리적 특징을 찾아냈다.
○ 물리학자들은 주로 원자나 분자를 통해 양자물리를 연구하는데 나노기술을 활용하면 인공원자와 인공분자를 만들 수 있다. 자연에 존재하는 원자나 분자에 비해 인공원자와 인공분자는 필요한 물성을 디자인하고 제어할 수 있기 때문이다.
※ 양자점(quantum dot) : 전자를 가두어 두는 나노 크기의 작은 공간

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김광석 교수(부산대학교), 김종수 교수(영남대학교), 송진동 박사(KIST) 연구팀이 두 양자점이 결합한 인공분자의 미세 에너지 구조에서 일어나는 복잡하고 특이한 광전이 현상을 규명했다고 밝혔다.
※ 광전이 : 서로 다른 에너지 준위의 높고 낮은 상태를 오가며 빛을 방출하거나 흡수하는 현상

□ 연구팀은 두 개의 왕릉이 결합한 경주‘황남대총’을 닮은 양자점 인공분자를 나노 스케일에서 만들어 내고
○ 이 인공분자에서 기존의 독립된 한 개의 양자점이 지니는 물리적 특성과 다른 독특한 미세에너지 준위가 나타나는 것을 발견했다.
○ 이렇게 형성된 미세에너지 준위는 서로 공존할 수 있는 중첩상태로 양자정보통신에 활용될 수 있다.
※ 양자중첩 : 동시에 두 개 이상의 상태가 공존하는 양자물리의 특성

□ 원자가 결합한 분자에서 원자간 상호작용으로 개별 원자에서 나타나지 않던 에너지 준위가 추가로 형성되듯,
○ 양자점이 결합한 인공분자 역시 양자점 상호작용의 결과로 원래 없었던 다양한 미세에너지 준위가 형성된다는 설명이다.
○ 이는 양자점을 이루는 전자와 정공 각각의 에너지 준위와 이들 간 전기적 상호작용을 고려, 복잡한 에너지 구조를 이해한 데 따른 것이다.

□ 인공분자 내부의 다양한 미세에너지 준위들은 양자역학적으로 중첩상태에 있어 향후 양자제어기술에 활용한 많은 가치를 지니고 있다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 Light-Science and Applications에 6월 12일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 김광석 부산대학교 광메카트로닉스공학과 >

키워드
양자점 인공분자, 에너지 준위, 광전이, 엑시톤, 바이엑시톤
논문명
Optical shaping of the polarization anisotropy in a laterally coupled quantum dot dimer
저널명
Light-Science and Applications
DOI
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0339-3
저 자
김희대 Heedae Kim(부산대, 중국동북사범대), 김광석(부산대 광메카트로닉스 공학과)로버트 테일런 Robert Taylor (영국 옥스퍼드대학), 김종수 (영남대 물리학과), 송진동 (KIST), 박성균 (부산대 물리학과)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 자연계의 물질은 원자들로 구성되어 있지만 실제 원자들이 결합한 분자의 형태로 거동한다. 예를 들어 산소(O2)와 수소(H2)는 동일한 원자들이 결합해 이원자 분자라는 하나의 새로운 덩어리로 거동한다. 유사한 방식으로 나노기술은 두 개의 양자점*을 결합시켜 인공분자를 제작할 수 있다.
※ 양자점(quantum dot) : 전자를 가두어 두는 나노미터 크기의 작은 공간. 인공원자(artificial atom)라고도 불린다.
○ 원자는 핵 주변을 도는 전자의 에너지준위 만을 고려하면 되지만 반도체 양자점의 경우 전자와 정공*의 에너지 준위 모두를 고려해야 해서 좀 더 복잡하다.
※ 정공 : ‘전자’가 빠져나간 비어있는 상태를 가상의 입자처럼 취급한 것으로 양의 전하를 지니고 있다.
○ 또한 양자점 인공분자의 경우 두 양자점 사이의 상호작용의 결과 복잡한 미세준위가 존재하며 특이한 광전이*가 일어난다. 하지만 그 현상에 대한 명확한 규명은 아직 미흡했다.
※ 광전이 : 빛을 매개로 서로 다른 에너지 준위의 높고 낮은 상태를 오가는 현상. 즉, 빛을 방출하며 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어지거나 빛을 흡수해 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 들뜰 수 있다.
2. 연구내용
○ 마치 두 개의 물방울이 아주 가까이 놓여있는 것과 유사하게 나노 스케일의 두 양자점을 MBE 장치*로 성장시켰다.
※ MBE 장치 : Molecular Beam Epitaxy의 약자. 하늘에서 내려온 눈들이 땅 위에 쌓이며 층을 이루듯 고진공 상태에서 원자들을 눈처럼 뿌려 나노구조물을 층상으로 쌓아올리는 장치.
○ 인공분자의 경우 기존의 독립된 한 개의 양자점이 지니는 물리적 특성과 다른 독특한 미세 준위를 형성하고 광전이 역시 전혀 다른 규칙을 따른다는 것을 발견하였다. 그 원인은 크기가 미세하게 다른 두 양자점 사이에 존재하는 전기적 상호작용이 광학적 대칭성 정도를 낮추기 때문이다.
○ 보통 하나의 양자점 속에는 전자와 정공이 짝을 이룬 엑시톤(exciton) 에너지 준위가 존재한다. 하지만 두 개의 엑시톤들이 결합한 국소바이엑시톤(local biexciton)이라는 보다 높은 에너지 준위도 가능하다.
○ 두 양자점이 결합한 인공분자는 서로 다른 양자점에 각각 존재하는 엑시톤이 결합바이엑시톤(coupled biexciton) 준위를 추가로 형성한다. 결합바이엑시톤은 하나의 양자점에 존재하는 국소바이엑시톤 보다도 높은 에너지 준위를 지닌다.
○ 또한 두 양자점 사이에 존재하는 상호작용의 결과로 각각의 엑시톤, 국소엑시톤, 결합엑시톤 준위들이 추가적인 미세 준위를 형성한다. 특히, 이들 미세 에너지 준위 사이를 넘나들며 일어나는 빛의 방출이나 흡수과정에는 기존 양자점의 광전이 선택규칙과 전혀 다른 방식이 작동한다.
3. 연구성과/기대효과
○ 양자중첩*은 양자물리의 기술적 응용을 위한 중요한 요소이다. 최근 양자정보통신 기술의 구현을 위해 양자중첩을 지닌 다양한 소재를 찾고 있다. 양자점 인공분자의 경우, 하나의 구조에 존재하는 다양한 미세준위들이 양자중첩에 있어 양자정보통신기술에 활용할 높은 잠재성을 지니고 있다.
※ 양자중첩 : 동시에 두 개 이상의 상태가 공존하는 양자물리의 특성.

그림 설명

 

(그림) 경주 황남대총은 바닥 위에 떨어진 두 개의 물방일이 결합된 것 같은 구조를 지니고 있다. 나노 스케일에서도 수평방향으로 양자점 두 개를 결합한 인공분자를 만들 수 있다(우측그림). 하나의 양자점에는 전자와 정공이 결합한 엑시톤(exciton) 뿐만 아니라 두 개의 엑시톤이 결합한 국소바이엑시톤(local biexciton) 에너지 준위가 존재한다. 두 개의 양자점이 결합하는 경우에는 각각의 양자점에 있는 엑시톤이 결합바이엑시톤(coupled biexciton)을 형성할 수 있고 엑시톤과 국소바이엑시톤 에너지 준위들도 다양한 미세에너지 준위로 세분화 된다. 에너지 준위 사이에는 독특한 선택규칙이 존재한다.
※ 붉은색으로 채색된 것이 전자이고 속이 비어있는 붉은색 원이 정공임
출처 : 부산대학교 광메카트로닉스 공학과 교수 김광석

 

 

 

(사진) 공동연구진(왼쪽부터 KIST 송진동 박사, 영남대학교 김종수 교수)

연 구 이 야 기
<작성 : 김광석 부산대학교 광메카트로닉스 공학과>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

양자신호처리 제어를 위한 새로운 요소 개발을 위해 영남대학교 김종수 교수와 KIST 송진동 박사와 공동으로 양자점 인공분자 제작을 시작함

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

인공분자 제작팀과 이론개발을 위한 분석팀으로 나뉘어 유기적으로 공동연구를 진행한 결과 상호간 피드백을 통해 인공분자 샘플의 구조가 향상됨

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

초기에는 국소 바이엑시톤에만 주목했지만 결과들 중 두드러지며 차이를 보이는 것이 결합 바이엑시톤이라는 것을 이해한 이 후 모든 어려움의 실마리가 풀리기 시작함

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

20 여 년 전 양자비트와 양자통신을 구현하기 위한 반도체 나노요소로 양자점 인공분자에 대한 관심이 고조되었던 적이 있으나 여러 가지 어려움으로 점차 시들어짐. 인공분자에 대한 여러 가지 난제들이 많은 연구자들은 다른 분야로 전향하게 만들었지만 본 연구를 통해 새로운 관심을 일으킬 수 있을 것으로 기대됨

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

양자점 인공분자의 다중 중첩과 다중 얽힘 상태를 활용한 다양한 양자제어 기술에 응용될 수 있을 것으로 기대됨

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

양자점 인공분자에서 다중 얽힘 광자를 발생시켜 양자통신에 응용하고 싶음

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

양자점 인공분자 기술은 처음 일본에서 시작되어 대형과제를 진행했지만 큰 성과를 보지 못했음. 그 프로젝트에 관여했던 김종수 교수가 귀국 후 KIST 송진동 박사와 인공분자 제작 공동연구를 진행했고 이 후 김광석 교수가 참여해 정밀분석이 진행되었음. 사실상 일본에서는 포기한 연구를 뒤 늦게 시작해 의미 있는 결과를 얻은 셈임