전기회로 아닌 빛으로 양자점 사이 결합 제어 기술 개발- 전자 신호 중첩으로 양자통신·양자컴퓨터 효율적 정보 전송 기대

전기회로 아닌 빛으로 양자점 사이 결합 제어 기술 개발- 전자 신호 중첩으로 양자통신·양자컴퓨터 효율적 정보 전송 기대

 

등록일 2016-12-20

 

 

 
전기회로 아닌 빛으로 양자점 사이 결합 제어 기술 개발
- 전자 신호 중첩으로 양자통신·양자컴퓨터 효율적 정보 전송 기대 -
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 김광석 교수(부산대)가 영남대 김종수 교수와 KIST 송진동 박사와의 공동연구를 통해 나노 크기의 두 양자점* 사이의 결합을 기존의 전기가 아닌 빛으로 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.
   * 양자점 : 자연에 존재하는 원자(예: H2, O2 등)와 유사하게 두 개의 전자를 결합시킨 인공원자(artificial atom). 수 백 개의 원자들로 구성된 나노미터 크기의 결정체. 초미세 반도체, 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양한 제품에 적용될 수 있다.

□ 양자점 내 존재하는 서로의 양자상태(전자)들이 중첩되어 있는 현상이 양자 통신의 기본 단위다. 중첩이 되는 전자 상태의 신호들이 많을수록 정보 전송 효율이 기하급수적으로 올라간다. 전자들이 중첩되려면 두 양자점이 나노 크기로 가까이 있어야 한다.
 o 기존에는 양자점 사이 전자 결합을 전기적 제어 기술로 유도했다. 강력한 전압을 받은 한 양자점 내 전자 파동이 다른 양자점 전자 파동과 결합하여 신호를 중첩시켰다.
 o 그러나 위 방법은 양자점 사이 수십 나노미터 크기의 작은 공간에 전기회로를 구성해야 하는 번거로움이 따랐다. 전기회로를 이용 시 전압의 방향을 바꿀 수 없어 전자의 정렬 방향도 변경 불가능했다.

□ 김광석 교수팀은 영남대 김종수 교수, KIST 송진동 박사와 공동으로 편광* 방향을 통해 인접한 양자점 간 결합을 선택적으로 유도해 제어하는 신기술을 개발했다. 전기회로의 번거로운 제작공정 없이  전기장을 지닌 빛을 비추는 것만으로도 양자점 내 전자 결합을 손쉽게 제어할 수 있다.
  * 편광 : 전기장의 방향이 일정한 빛. 이러한 빛의 전기장 방향으로 편광의 방향을 구별한다.
  ** 쌍극자 : 크기는 같으나 부호가 반대인 두 전하가 나란히 있는 것.
 o 양자점에 편광을 비추면 엑시톤*이 두 양자점에서 각각 생성된다. 생성된 엑시톤은 비춰진 편광의 방향에 따라 배열이 달라진다.
  * 엑시톤 : 한 단위가 된 전자와 정공의 결합체.
 o 편광이 두 개의 양자점을 가로지르는 방향과 나란한 경우, 엑시톤이 서로 끌어당기므로 전자가 결합된다. 그러나 편광이 위 방향과 다른 수직 방향인 경우, 엑시톤이 서로 밀어내므로 전자 결합이 되지 않는다.

□ 김광석 교수는 “편광 방향을 바꾸는 것만으로도 양자점 내 전자의 결합을 손쉽게 제어할 수 있게 됐다”며 “더 많은 신호의 중첩이 효율적으로 가능해져, 양자통신·양자컴퓨터 기술을 진보시킬 원천기술이 되기를 기대한다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 한국연구재단에서 지원한 일반연구자지원사업(교육부 소관사업)을 통해 거둔 이번 연구성과는 나노분야 최고수준의 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 12월 14일에 되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명
             6. 연구자 이력사항

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : 편광 여기를 통한 단일 결합양자점 구조 내 엑시톤 쌍극자-쌍극자 상호작용 (Exciton dipole-dipole interaction in a single coupled-quantum-dot structure via polarised excitation)
   - 저자 정보 : 김희대 (부산대 광메카트로닉스공학과), 김인홍 (부산대 광메카트로닉스공학과), 김광석(부산대 광메카트로닉스 공학과), Robert A. Taylor (Univ. Oxford, 물리학과), 김종수 (영남대 물리학과), 제구출 (안양대 교양학부), Le Si Dang (CNRS Neel institute)

□ 논문의 주요 내용
   -  편광 여기를 통해 두 개의 양자점 내 존재하는 엑시톤 간의 결합을 선택적으로 유도할 수 있음을 보였다. 편광 방향이 두 개의 양자점이 배열한 방향과 나란한 경우, 엑시톤 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해 결합 쌍엑시톤이 발생하고, 엑시톤 끼리의 상호작용으로 에너지도 변화함을 보였다. 이 방향에 수직한 편광의 경우 결합이 유발되지 않고 빛의 세기를 증가시켜도 국소쌍엑시톤만 발생함을 보였다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 인공원자인 양자점 사이의 결합을 제어할 수 있는 기술의 필요
   ○ 빛으로 양자상태를 손쉽게 제어하는 미래 핵심 기술개발 필요

 2. 발견 원리
   ○ 기존 전기적 제어 기술의 경우, 양자터널링 효과를 이용하지만 빛으로 제어하는 본 기술은 쌍극자-쌍극자 상호작용을 이용함.
   ○ 쌍극자의 방향을 편광으로 선택하여 상호작용을 제어하는 방식

 3. 연구 성과
  ○ 광신호를 전기로 제어하는 기존 방식의 경우 번거로운 제작공정이 필요하지만, 본 기술은 모든 것으로 빛으로 제어하는 전광-통신기술의 측면에서 실용성이 높음.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 o 물질을 구성하는 기본 단위는 원자이다. 동일한 원자 두 개가 서로 가까이 다가가면 원자의 전자들이 서로 결합하여 2원자 분자를 형성한다. 예를 들면, 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2)가 있다. 첨단나노기술의 도움으로 자연에 존재하는 원자와 유사하게 전자를 나노크기의 공간에 가두어 놓은 양자점 (quantum dot)이라 불리는 인공원자(artificial)를 제작할 수 있게 되었다.
 o 자연에 존재하는 두 개의 원자가 결합하듯 두 개의 양자점 사이의 결합을 제어하는 기술은 양자통신, 양자컴퓨터 같은 미래기술의 핵심요소가 될 수 있다.
 o 기존에 알려진 기술은 하나의 양자점 내 파동함수가 다른 양자점으로 에너지 장벽을 뚫고 새어나가는 양자터널링효과를 유도하기 위해 강력한 전압을 가하는 방식을 주로 사용하였다. 이를 실현시키기 위해서는, 수십 나노미터 크기의 구조 내 회로를 구성하는 고집적 나노기술이 필요해 여러 가지 번거로움과 실용적 한계가 존재한다.

 2. 연구내용
 o 물방울 성장방법이라는 신기술 이용해 마치 두 개의 물방울이 가까이 위치한 것과 유사한 구조를 성장시켰다.
 o 빛을 비추면 양자점 내에 전자와 정공*이 짝을 이룬 엑시톤이 각각 생성된다.
 o 특정 편광을 지닌 빛을 비추면 마치 물고기가 물의 흐름과 나란한 방향으로 헤엄치 듯 빛에 의해 발생된 엑시톤은 편광 방향과 나란하게 생성된다.
 o 편광의 방향과 나란하게 두 양자점에서 생성된 각각의 엑시톤은 정렬 방향에 따라 상호작용의 크기가 달라 특별한 편광방향에서만 결합이 이루어지게 된다. 결과적으로 서로 다른 양자점의 엑시톤들이 서로 결합한 결합-쌍엑시톤을 형성하게 된다.
 o 이 실험결과의 작동원리는 엑시톤 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해 설명할 수 있음을 이론적 모형으로 설명하였다.
3. 기대효과
 o 두 개 원자의 결합으로 분자가 형성되는 화학반응과 유사하게 나노 스케일의 인공원자 두 개간의 결합을 빛의 편광방향을 바꾸는 것만으로 손쉽게 제어할 수 있어 향후 다양한 분야에 범용적으로 활용될 수 있는 실용기술이 될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

10 여 년 전 결합양자점 구조에서 특이한 현상이 관측되었으나 기존 결과들로 설명할 수 가 없었음. 향후 쌍극자 상호작용과 관련된 다른 연구를 하다 아이디어를 얻어 다시 연구를 시작. 10 년도 넘은 오래된 시료를 다시 받아 원하던 연구를 얻음.   

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

* 영남대 김종수 교수와 KIST 송진동 박사가 측면 거리 제어가 가능한 결합양자점 구조 제작에 성공
* 초기 특이한 결과를 얻었으나 이해가 되지 않아 그냥 미뤄둠
*10년 이 지나 다시 연구를 재개하고 이론모형을 개발하여 실험과 비교
*여러가지 이해할 수 없는 것들에 대한 실마리가 조금씩 풀림

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

초기 결과는 10년 전에 얻고 본 논문에 투고된 결과는 2년 전에 얻었다. 결과분석을 마쳤지만 정확한 원인을 이해하는데 1년 반이 소요되었다. 여러 가지 단계가 있었는데 성급하게 출판하는 것을 잠시 접고 팀원 간에 꾸준히 토론을 하고 모형을 만들면서 해결방법을 찾고 연구의 깊이가 더해진 것 같다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

양자터널링을 기반으로 하는 대분의 사례와 다르게 쌍극자 상호작용을 사용하므로 양자점들 간의 거리가 조금 멀어도 유효하다. 에피텍샬 양자점 이외에 콜로이달 나노입자나 고분자, 유기물에서도 흔히 관측되는 쌍극자 상호작용에도 응용할 수 있어 범용적이고 실용적이다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

단광자 양자광학제어기술과 나노반도체 집적기술을 융합하여 본 연구를 좀 더 심화할 생각이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

논문쓰기에 집중하기 위해 귀마개를 사용하는 데, 책상위에 올려놓은 귀마개와 연구에 활용된 양자점과 많이 닮은 점을 발견했는데 이 다소 생뚱맞은 상상이 문제의 실마리를 푸는데 많은 도움이 되었다.

용 어 설 명

1. 양자점
 ○ 나노스케일의 공간에 전자를 가두어 두는 구조나 공간을 일컫는 말로 인공원자라고도 한다.

2. 엑시톤
 ○ 전자와 정공이 전기적 인력에 의해 결합한 짝. 남녀가 손을 잡고 있는 모습과 닮아 있다.
 
3. 쌍극자
 ○ 크기는 같지만 부호가 다른 전하가 일정한 거리를 두고 있을 것을 전기 쌍극자라고 한다. 물질의 광학적 특성을 결정하는 핵심원인 역할을 한다.

그 림 설 명

(왼쪽그림)  편광이 두 개의 양자점을 가로지르는 방향과 나란한 경우 (H-편광) 각각의 양자점에서 발생된 엑시톤 사이에는 인력형 쌍극자 상호작용이 발생한다.
(오른쪽 그림) V-편광의 경우 발생된 두 개의 엑시톤들은 서로 결합하지 않는다.