물리학과 조용훈 교수팀이 피라미드형 반도체를 이용해 효율적으로 단일 광자원을 개발했다. 관련 논문은 지난 4월 13일 <미국립과학원회보(PNAS)>에 게재되었다.

광학과 통신에 사용되는 단일 광자원
단일 광자원은 광자를 하나씩 방출하는 광원으로, 양자 광학을 연구할 때 기본 도구로 사용된다. 또한, 단일 광자원을 이용해 양자 컴퓨터 기술과 양자 암호를 더욱 강화할 수 있다. 이번 연구는 반도체 양자점을 이용해 단일 광자원을 개발했다.

엑시톤은 빛과 반응해 광자를 방출해
반도체에서 전자는 에너지를 받아 들뜬 상태가 되며, 전자가 있던 자리에는 양공(electron hole)이라는 전자가 부족한 공간이 남는다. 양공은 (+) 전하를 띠므로, 전자와 양공 사이에는 인력이 작용한다. 이때 전자와 양공이 결합한 것을 엑시톤(exciton)이라 부른다.
반도체가 광자를 흡수하면 광전 효과에 의해 엑시톤이 생기며, 그 역반응이 일어나기도 한다. 이를 엑시톤과 빛의 상호 작용이라고 부른다. 특히 반도체 양자점*은 양자화된 에너지 준위를 가지고 있어 단일 광자를 방출할 수 있다. 즉, 양자점을 이용해 단일 광자원을 제작할 수 있다.

빛을 가두는 금속의 자유 전자
문제는 빛의 파장에 비해 양자점이 너무 작다는 점이다. 빛은 파장보다 작은 물질과 잘 상호 작용하지 못한다. 따라서 효율적인 단일 광자원을 만들려면 빛과 양자점의 접촉 횟수를 늘리거나 빛을 좁은 공간에 가두는 등 빛과 양자점이 잘 반응하는 환경을 조성해야 한다. 대표적인 방법이 금속을 이용하는 것이다. 빛은 일반적으로 파장보다 좁은 공간에 가둘 수 없다. 그러나 빛이 금속 표면을 지나면 금속의 자유 전자와 빛이 서로 영향을 미치며, 그 결과 빛을 수십 nm 정도의 공간에 가둘 수 있다. 이렇게 가둔 빛과 양자점을 반응시키면, 즉 접하도록 하면 높은 확률로 빛과 엑시톤이 반응해 우수한 단일 광자원을 제작할 수 있다.

기존에는 양자점의 위치를 알지 못해
하지만 기존에는 엑시톤을 가둔 양자점의 위치를 예측하기 힘들어 단일 광자원을 제작하기 힘들었다. 이는 양자점을 평평한 반도체 위에 부착한 얇은 막을 활용해 만들었기 때문이다. 평평한 판 위에 막을 씌운 뒤 온도 등 환경을 조절하면 곳곳에서 박막의 구성 물질을 뭉치게 할 수 있다. 이때 막이 뭉친 곳에는 매우 작은 공간이 확보된다. 그 위를 다른 얇은 반도체로 덮으면, 매우 작은 3차원 공간을 퍼텐셜 우물로 가두어 양자점을 만들 수 있다. 이 경우 양자점이 형성되는 위치가 일정하지 않아 위치를 예측하기 힘들다. 따라서 위치를 정확히 알 수 없는 양자점과 수십 nm 정도의 공간에 가둔 빛을 접하게 해야 해 단일 광자원 하나를 만드는 데 큰 비용이 들었다.

빛과 엑시톤이 만나는 장소, 꼭짓점
조 교수팀은 피라미드 모양의 반도체와 빛의 특성을 이용해 공정을 개선했다. 우선 조 교수팀은 피라미드 반도체 표면에 얇은 막을 생성하면 퍼텐셜 우물이 생겨 엑시톤이 꼭짓점에 갇힌다는 사실에 주목했다. 즉, 꼭짓점이 엑시톤을 가두는 양자점 역할을 하는 것이다. 또한, 빛은 금속의 뾰족한 부분에 모이는 성질이 있어, 피라미드 모양 반도체에 금속 박막을 씌운 뒤 빛을 비추면 엑시톤과 좁은 공간에 갇힌 빛이 꼭짓점에서 만난다. 실제로 조 교수팀은 기존 공정보다 짧은 시간 내에 단일 광자원을 효율적으로 생산했다.

이번 연구는 양자점 제작 공정을 개선해 단일 광자원을 효율적으로 생산할 방법의 초석을 마련했다. 논문 제1저자 공수현 박사는 “이번 연구를 통해 단일 광자원을 간단히 제작하여 양자 통신 발전에 도움이 되었으면 한다”라고 밝혔다. 

양자점*
퍼텐셜 우물로 갇힌 1차원 공간 안은 에너지 준위가 양자화 돼 있다. 이를 양자점은 3차원으로 확장한 것으로, 퍼텐셜 우물로 갇힌 10nm 정도의 3차원 공간이다