상온 단일양자광원, 초집속 빛으로 포획하고 양자상태까지 바꾸는 기술
향후 초고감도 바이오메디컬 센싱, 양자정보과학 분야 등으 로 확장 기대

포스텍 연구팀이 빛으로 단일양자광원을 붙잡고 원하는 양자 특성까지 실시간으로 제어할 수 있는 새로운 양자나노분광 플랫폼을 개발했다.

 

▲ 포스텍 연구진 사진. 상단 왼쪽부터 박경덕 교수, 구연정 박사, 통합과정 오현민, 하단 왼쪽부터 황종근 박사, 통합과정 김수정, 이형우 박사. [포스텍 제공]

 

포스텍은 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수, 물리학과 구연정 박사, 물리학과 신재훈, 통합과정 오현민·김수정 씨, 황종근·이형우 박사 연구팀이 상온 액체 환경에서 단일양자광원을 초집속 나노빛으로 포획하고 밝기와 에너지, 양자결합 상태까지 실시간으로 제어할 수 있는 새로운 양자나노분광 플랫폼을 개발했다고 6일 밝혔다.

 

이번 연구는 단일양자광원을 단순히 관찰하는 수준을 넘어 빛으로 붙잡고, 정렬하고, 원하는 특성으로 바꿔 쓸 수 있는 '능동형 양자나노현미경'을 제시한 성과로 평가된다.

 

단일양자점은 상온에서 작동 가능한 양자광원으로 큰 잠재력을 지니지만 크기가 매우 작고 외부 환경에 민감해 원하는 위치에 하나씩 안정적으로 배치하고 그 광학적 특성을 자유롭게 조절하는 데 어려움이 있어 양자기술 상용화에 제약이 있었다.

 

또 단일양자광원의 밝기, 파장, 편광, 위치 등을 동시에 조절하는 것은 차세대 양자기술 구현을 위해 반드시 필요한 기능이지만 기존 광변조 플랫폼에서는 구현이 제한적이었다.

 

이 때문에 연구팀은 단일양자점이 액체 속에 자유롭게 떠다니게 한 뒤 금 탐침 끝에 빛을 나노미터 크기로 강하게 집중시킬 수 있는 '탐침증강 나노광포획 분광법(TENT)'을 개발했다.

 

이때 형성되는 초집속 나노빛은 단일양자입자를 탐침 끝으로 끌어당기는 힘을 만들어 안정적으로 포획할 수 있었다.

 

더 나아가 연구팀은 초집속 나노빛이 만드는 돌림힘에 의해 포획된 양자점이 빛과 가장 강하게 상호작용하는 방향으로 스스로 정렬되는 현상도 확인했다. 이는 단일양자광원을 보다 안정적이고 재현성 있게 활용할 수 있는 핵심 원리가 된다.

 

개발한 장비의 가장 큰 특징은 포획에 그치지 않고 단일양자광원의 특성을 실시간으로 바꿀 수 있다는 점이다. 연구팀은 탐침과 기판 사이의 간격을 정밀하게 조절해 빛이 갇히는 나노미터 공간의 크기를 변화시켰고 이를 통해 방출되는 단일양자광의 밝기와 에너지, 양자결합 세기를 능동적으로 제어하는 데 성공했다.

 

▲ 개발된 탐침증강 나노광포획 분광법(TENT)을 통해 포획된 단일양자광원의 모식도. [포스텍 제공]

 

더 나아가 탐침이 단일양자입자에 가하는 초고압력을 이용해 추가적인 양자상태까지 조절할 수 있음을 보였다.

 

하나의 입자가 조건에 따라 서로 다른 양자광원 역할을 수행할 수 있다는 점에서 카멜레온처럼 변모 가능한 양자나노광학 플랫폼이라 할 수 있다.

 

특히 TENT 플랫폼은 포획, 센싱, 제어, 분광 기능을 하나의 장치 안에 구현했다는 점에서 의미가 크다.

 

향후 이 기술은 양자통신용 단일광자원, 양자 스위치 및 변조기, 나노양자센싱, 바이오메디컬 센싱 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.

 

논문의 제1저자인 구연정 박사는 "관찰조차 어려운 상온 단일양자광원을 원하는 방식으로 선택하고 재구성할 수 있는 새로운 물리적 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

 

박경덕 교수는 "이번 연구성과는 양자현상을 수동적으로 관찰하는 수준을 넘어 금 탐침 끝에 맺힌 초집속 나노빛을 이용해 양자특성을 능동적으로 바꿀 수 있는 새로운 양자나노현미경을 개발한 것"이라고 밝혔다.

 

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

 

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