^*근접장 빛(near-field optics): 공간을 통해 진행하지 않고 물체 표면에 국소화 되어있는 빛. 빛을 물체 표본에 비춰 표본을 통과한 빛이 대물렌즈에 의해 확대된 실상을 맺고, 이 실상을 접안렌즈를 통해 재확대된 상을 관찰할 수 있도록 설계된 장치를 근접장 광학 현미경(near-field optical microscope)이라 한다.

^*준입자: 다입자(多粒子)집단에서 볼 수 있는 입자의 운동형태의 하나로, 여러 개의 입자가 한 개의 입자처럼 행동하는 것. 금속 내의 전도전자(傳導電子)나 액체와 같은 다수 입재전자 또는 분자의 집단에서는 입자 간에 힘이 작용하므로 개개의 입자는 독립해서 운동할 수 없다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

플라즈몬1)과 엑시톤2)의 결합 강도(coupling strength)를 결합 시스템의 손실 에너지보다 크게 할 경우, 강한 결합(strong coupling) 영역에 도달한다. 이때 ‘부분 빛-부분 물질’인 준입자 상태, 즉 ‘플렉시톤’3) 상태를 유도할 수 있다. 이는 차세대 양자 센싱, 계측, 정보 처리를 위한 핵심 구성요소로 활용될 수 있다.

하지만 현재까지 강한 결합 연구에 사용된 모든 플라즈모닉 나노 광학 공진기4)는 정적인(static) 구조이므로 양자 광원과 결합 강도를 조절하거나 결합 구조를 최적화하는 게 원천적으로 불가능했다.

2. 연구내용

연구팀은 자체 제작한 쉬어 포스(shear-force) 타입의 원자힘현미경(atomic force microscopy)5)에 나노 광학 안테나 역할을 하는 금(Au) 탐침을 장착했다. 금(Au) 기판과 나노미터(nm, 1 nm는 10억 분의 1 m) 단위 정밀도로 능동적 간격 제어가 가능한 플라즈모닉 나노 광학 공진기를 제작했다.

제작한 능동형 나노 광학 공진기 내에는 CdSe/ZnS 단일양자점을 위치하게 해, 엑시톤과 플라즈몬의 강한 결합에서 나타나는 플렉시톤 상태를 상온에서 유도했다.

또한, ‘탐침 증강 강한 결합 분광기(tip-enhanced strong coupling spectroscopy)’6)를 세계 최초로 개발해 결합 강도에 따라 변화하는 플렉시톤 광방출7) 스펙트럼(plexciton photoluminescence spectrum)을 실시간으로 측정했다.

강한 결합 영역에서는 약한 결합 영역에서 일반적으로 관찰되는 단일 에너지 자발 광 방출 신호와 달리, 라비 스플리팅(Rabi splitting)8)에 의해 두 에너지 레벨의 광 방출 스펙트럼을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 유한요소법(finite element method; FEM)9) 시뮬레이션과 이론적 모델링을 통해 검증할 수 있었다.

이에 더해 나노 광학 공진기의 수직 간격과 수평 위치를 정밀 조절했다. 이로써 양자 광원과 결합 강도를 능동 제어하고 플렉시톤 광발출의 에너지 제어와 약한 결합– 강한 결합 간 스위칭이 가능한 플랫폼을 제시했다.

3. 기대효과

개발한 TESC 분광기는 빛-물질 간 상호작용을 강한 결합 영역으로 유도하고, 능동적으로 제어할 수 있는 근접장 나노 현미경의 새로운 패러다임을 제시한다. 연구결과, 상온에서 플렉시톤 광방출의 증강과 발광 에너지 제어가 가능하다. 따라서 제시된 플랫폼을 소자로 응용할 경우, 양자컴퓨터와 정보 소자는 물론 초고휘도, 초소형, 초고속으로 파장 제어가 가능한 신개념 디스플레이로 폭넓은 응용이 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 플라즈몬(plasmon)

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 한다.

2. 엑시톤 (exciton)

절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자다. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍이며, 준입자이다.

3. 플렉시톤 (plexciton)

플라즈몬과 엑시톤이 결합한 준입자를 말한다.

4. 플라즈모닉 나노 광학 공진기

플라즈모닉 나노 구조로 제작한 광 공진기(optical resonator)를 말한다.

 5. 쉬어 포스 타입 원자힘현미경(shear-force type atomic force microscopy)

쿼츠 튜닝 포크에 탐침을 부착해 시료와의 간격을 일정하게 유지하며, 시료 표면에 주사해 3차원 이미지를 측정하는 현미경 방식을 말한다.

6. 탐침 증강 강한 결합 분광기(tip-enhanced strong coupling spectroscopy)

탐침 증강 효과를 유도해 강한 결합 영역에서 물질의 분광특성을 측정하는 현미경을 말한다.

7. 광방출(photoluminescence)

물질이 빛에 의해 자극을 받아 스스로 빛을 내는 현상을 말한다.

8. 라비 스플리팅(Rabi splitting)

공진기에 결합된 원자 혹은 준입자 등의 들뜬 상태 에너지 레벨이 갈라지는 현상.

9. 유한요소법(finite element method)

편미분 방정식이나 적분, 열 방정식 등의 근사해를 구하는 한 방법이다.

[붙임]그림설명

그림1. (A) 강한 결합 플렉시톤 광방출 실험 모식도. (B) 약한 결합에서 광방출 에너지 구조도(노란색 선)와 강한 결합 영역에서의 플렉시톤 생성 및 광방출 에너지 구조도(초록색 선). 강한 결합 영역에서는 에너지 레벨이 두 개로 갈라진다.

그림2. (A) 실험적으로 관찰한 플라즈몬과 엑시톤의 결합 강도에 따른 양자점 탐침 증강 광방출 스펙트럼. (B) 플라즈모닉 나노 광학 공진기가 서로 다른 에너지를 가진 양자점 엑시톤들과 강한 결합 영역에서 생성하는 플렉시톤 광방출 모드들의 실험결과(점)와 계산 결과(선)가 잘 일치함을 그래프를 통해 알 수 있다.