피라미드 꼭짓점에서 대칭성 유지하며 양자점 제어 성공

2020.12.13 16:42

 

조용훈 KAIST 물리학과 교수팀…차세대 양자 광원 개발 활용

                                                                          나노레터스 제공

 

조용훈 KAIST 물리학과 교수팀이 수 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 반도체 결정체인 양자점(퀀텀닷)을 삼각형 모양으로 만들고 이를 제어하는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 이로써 양자 광원 개발에 한 걸음 더 다가가게 됐다.

양자점은 전압을 가하면 스스로 빛을 내는 성질이 있어 차세대 디스플레이 소자로 각광 받고 있다. 또 원자처럼 불연속적인 에너지 준위를 가지고 있어 양자통신과 양자컴퓨터 등 차세대 양자 광원 개발의 핵심 기술로도 꼽힌다.

반도체 양자점을 이용해 원하는 순간에 광자를 한 개씩 방출하면서 반도체 양자점의 대칭성을 조절할 경우 두 개의 광자를 양자얽힘 상태로 만들어 양자통신에 활용할 수 있는 길이 열린다.

조 교수팀은 우선 삼각형 모양의 나노 패턴을 가진 기판 위에 피라미드 형태의 질소화합물 반도체 나노 구조를 만들었다. 질소화합물 반도체는 발광다이오드(LED)를 만드는 데 널리 사용되며, 상온에서도 양자적인 특징을 유지해 양자 광원 소자 후보 물질로 주목받고 있다. 하지만 양자점의 대칭성이 조금만 무너져도 양자통신의 핵심인 양자얽힘이 깨지는 등 제어가 쉽지 않았다.

연구팀은 기판 위에 질소화합물 반도체 나노 구조를 피라미드로 만든 뒤 피라미드의 꼭짓점 부분의 기하학적 형태를 조절하면서 자체적으로 성장을 제어하게 했다. 그 결과 질소화합물 반도체로 삼각 대칭성을 갖는 양자점을 구현하는 데 최초로 성공했다. 주사전자현미경(TEM)을 이용해 발광 정도를 측정한 결과 피라미드의 꼭짓점에 양자점이 안정적으로 형성된 사실을 확인했다.

조 교수는 “반도체 양자점을 효과적으로 제어해 비대칭성 문제를 해결했다”며 “상온에서 작동하는 질소화합물 반도체 양자점을 이용해 편광얽힘 광자쌍 방출 소자와 같은 차세대 양자 광원 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 나노 분야 국제학술지인 ‘나노 레터스’ 12월 9일자 표지논문으로 실렸다.

 

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• 이현경 기자uneasy75@donga.com