국내 연구진이 반도체에서 입자 간 진동이 일어나는 이른바 '맥놀이 현상'을 제어하는데 세계 최초로 성공했다. 이에 따라 빛의 속도만큼 빠른 새로운 양자 소자의 제작이 가능한 것으로 확인됐다.

19일 한국연구재단에 따르면, 연세대 최현용 교수 연구팀은 최근 빛이 특정한 방향으로 진동하는 편광을 이용해 양자 맥놀이 현상을 제어하는 데 성공했다. 

양자 맥놀이는 소리굽쇠에서 두 음파가 중첩돼 진동하면서 전체 음파 세기가 커졌다 작아졌다를 반복하는 것으로, 에너지 크기가 비슷한 두 양자의 결맞음 중첩으로 인해 주기적인 진동이 나타나는 현상이다. 

원자가 한 겹으로 나열되어 매우 얇은 2차원 반도체는 뛰어난 강도와 전기전도도 등의 특성으로 인해 여러 분야에 응용될 것으로 기대를 모은다. 그 중에서도 최근 주목받는 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 화합물은 특정 파장대의 빛을 흡수하고 전류로 변환하는 특성이 있어 반도체 소자나 광소자로서의 연구가 세계적으로 활발히 진행 중이다. 하지만 TMD 물질은 두 엑시톤(반도체 물질이 빛을 흡수해 만들어지는 양자 상태) 간의 에너지 차이가 너무 커 양자 결맞음 현상이 일어나지 않으므로 양자 소자에 관한 연구가 불가능하다고 인식돼 왔다. 

연구팀은 이에 따라 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 비슷한 서로 다른 두 엑시톤을 가지는 새로운 TMD 물질인 이황화레늄(ReS2)을 도입해 2개 양자가 동시에 방출될 수 있는 방향으로 빛의 편광을 제어하면 양자 결맞음에 의한 양자 맥놀이 현상이 발생한다는 사실을 확인했다. 

양자 맥놀이 현상은 펨토초(1000조분의 1초) 단위에서 발생하는만큼 연구팀은 이를 확인하기 위해 1초 동안에 전달되는 에너지와 똑같은 값의 에너지를 1펨토초에 전달하는 초고속 레이저로 빛 파동을 주입했다. 그 결과 이황화레늄(ReS2)과 같은 비등방성 TMD 물질의 양자 맥놀이 현상을 제어할 수 있게 돼 그동안 불가능하다고 여겨졌던 2차원 물질의 양자 현상을 최초로 확인하는 데 성공했다.

최현용 교수는 이번 연구결과에 대해 "초고속 레이저의 편광을 조절해 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 양자 현상인 엑시톤 양자 맥놀이 현상을 제어하는 기술을 개발한 것"이라고 말했다. 최 교수는 이어 "빛의 속도만큼 빠른 초고속 양자 통신과 양자 컴퓨터, 양자 암호 등에 응용이 가능하다"며 "특히 머리카락보다 몇백 배 얇은 원자 두께의 반도체에서 관측함으로써 초고속·고효율 양자 소자 제작이 가능할 것"이라고 기대감을 밝혔다. 

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자, 기초연구실), 글로벌프론티어사업을 통해 이뤄졌으며, 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난 1월 24일자에 실렸다.

김병훈 기자 hyundam@successnews.co.kr

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