내 용
(요 약) |
□ 고려대학교(총장 정진택) 이과대학 물리학과 박홍규 교수 연구팀이 일리노이대학교(UIUC)의 남성우 교수 연구팀과 공동으로 한 번에 하나씩 빛 알갱이(광자)를 방출하고 광특성 조절이 가능한 새로운 단일광자원을 개발했다. 단일광자의 생성 위치 및 편광 방향을 제어하고 나노공진기와의 결합을 통해 단일광자의 방출 효율 또한 높이는데 성공했다.
* 단일광자원(Single-photon emitter) : 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 양자 소자.
* 편광(Polarization) : 빛의 특정 상태. 특정한 방향으로 진동하며 나아가는 빛을 가리킨다.
* 나노공진기(Nano-optical cavity) : 빛을 가둘 수 있는 나노크기의 장치.
□ 단일광자원은 양자 키 분배와 같은 양자 암호 통신에 있어서 핵심이 되는 기본 소자이다.
특히, 단일광자원에서 방출되는 광자의 특성을 제어하는 기술은 양자 암호 통신의 실용화를 위해 꼭 필요하다.
￮ 최근 원자수준으로 얇은 2차원 물질에서 자연적/인공적 결함에 의한 양자 구속 효과를 이용해 단일광자를 생성하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
￮ 하지만 단일광자의 발생 위치 및 편광 방향이 무작위이기 때문에 방출 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다.
* 양자 키 분배(Quantum key distribution) : 가장 대표적인 양자암호 체계. 파장이나 진폭 등으로 통신하는 고전적인 통신과는 달리 광자 하나하나의 단위로 신호를 실어 나른다. 양자를 하나만 보내 통신을 하기 때문에 양자의 일부를 수집해 도청하는 것이 불가능하다.
* 2차원 물질(Two-dimensional materials) : 그래핀처럼 수 나노미터의 원자가 한 겹으로 배열돼 있는 반도체 물질.
□ 연구팀은 텅스텐 셀레나이드 (WSe2) 2차원 반도체 물질에 나노갭을 갖는 나노구조체를 이용해 국소적으로 변형을 가하여 위치와 편광 방향을 조절한 새로운 단일광자원을 구현했다.
￮ 단일광자원의 생성 효율은 83 %, 순수도는 0.01 이하였고, 광반복률 또한 15 MHz 이상의 높은 값이 측정되었다.
￮ 특히, 나노갭의 크기에 따라 방출되는 단일광자의 편광 방향을 100% 효율로 제어했다. 나노갭의 크기가 90 nm보다 작으면 수평 방향으로, 나노갭의 크기가 90 nm보다 크면 수직 방향으로 편광 방향이 일정하게 형성되었다.
□ 게다가, 제작된 단일광자원은 원자 두께만큼 얇기 때문에 나노공진기와 결합이 쉽다는 장점이 있다. 단일광자원과 나노공진기를 결합한 결과, 단일광자의 발생 효율을 2배 증가시킬 수 있었다.
□ 이번 연구 성과를 통해 새로운 물리적 현상 발견 및 양자정보학의 기초적인 이해를 증진시켰다는데 큰 의의가 있다.
￮ 위치와 편광 방향이 제어되고 나노공진기와 결합된 단일광자원은 양자 암호 통신에서 온-칩 (on-chip) 양자 광원으로 사용이 가능하다.
￮ 미래 정보 보안에 있어 획기적인 발전을 이룰 수 있어 한국과 같은 인터넷 강국에서 군사적으로나 경제적으로 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
￮ 정보통신기획평가원(IITP)이 추진하는 정보보호핵심원천기술개발사업 한-미공군 국제공동연구과제와 양자암호통신집적화및전송기술고도화 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노기술 분야 저명 국제학술지 “나노레터스(Nano Letters)”에 1월 27일자로 온라인 게재됐다.
- 논문명 : Polarization Control of Deterministic Single-Photon Emitters in Monolayer WSe2
- 저자정보: 박홍규 교수(교신저자, 고려대학교), 남성우 교수(공동 교신저자, UIUC), 소재필 박사과정(제1저자, 고려대학교), 정광용 박사(공동1저자, 고려대학교), 이정민 박사(공동1저자, 고려대학교)
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20210215[고려대]박홍규 교수팀, 단일광자원의 위치 및 편광 제어 기술 개발.hwp
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