^*양자 광원(quantum light source): 원자와 같은 불연속적인 전자 에너지 구조를 갖는 물질은 매순간 하나의 광자만 생성하게 되는데, 반도체에서도 물질의 크기가 수 나노미터(㎚) 크기로 작아지면, 물질 내부의 전자 에너지 구조가 불연속적으로 변한다. 이런 성질 변화를 ‘양자화’라 하는데, 양자화된 단일 구조에서 방출하는 빛을 단일 광자원(양자광원)이라 한다.

^*MEMS(Micro Electro Mechanical Systems): 나노 기술을 이용해서 제작되는 나노/마이크로 크기의 매우 작은 전기구동시스템을 말한다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

단일 광자1) 수준에서의 광자 생성 및 제어 기술은 빛을 이용한 ‘양자 연산’, ‘양자 통신’, ‘양자 계측’과 같은 차세대 양자 정보 과학2) 연구의 가장 중요한 핵심 기술을 제공한다. 따라서 미래 양자 기술 개발에 있어서 높은 효율과 함께 소자화가 가능한 ‘양자 광소자’ 개발 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근 반도체 양자점3), 다이아몬드 결함구조와 같은 고체 기반의 양자 광원이 주목 받고 있지만 대부분 고체 기반의 양자 광원들이 갖는 낮은 효율, 위치와 파장의 불균일성이 해결해야 할 과제로 남아있다. 

본 연구에서는 기존 고체 양자 광원이 갖는 문제를 해결하기 위해 원자층 두께의 이차원 반도체 물질(WSe2)과 실리콘 멤스 (MEMS,Microelectromechanical systems) 4)소자를 활용하였다. 원자층 두께로 매우 유연한 성질을 갖는 이차원 물질과 국소 응력 제어가 가능한 MEMS 소자기술을 결합하면, 반도체 물질의 광학 특성을 국소적으로 제어 하는 것이 가능하다. 이를 통해 양자 광원을 실리콘 집적 소자 내 생성하고, 특성 제어를 동시에 할 수 있는 차세대 반도체 양자 광소자 플랫폼을 제시하였다.

2. 연구내용

텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 이차원 반도체 물질은 기존 3차원 반도체 물질과 비교하여 다양한 플랫폼과 결합이 용이하다. 또 이들 물질의 두께는 원자층 수준으로 얇아 빛을 시료 내부에 가두지 않고 외부로 효율적인 방출하다. 두 가지 장점 덕분에 이들 물질이 차세대 광학, 전자 소자의 핵심 소재로 꼽히고 있다. 본 연구는 이러한 이차원 반도체 물질의 장점을 활용하면서, 이를 실리콘 MEMS 소자와 결합해 특성 제어가 가능한 ‘반도체 양자 광소자 플랫폼’을 개발하였다.

본 연구에서 개발한 위치와 파장의 동시 제어가 가능한 양자 광소자의 핵심 구동 원리는 다음과 같다. 우선 실리콘 MEMS 기술을 활용하여 실시간 응력 크기 제어가 가능한 구조체인 마이크로 캔틸레버(microcantilever)를 제작하고 나노 크기의 피라미드 미세 패턴을 구조체(cantilever)에 새겨 넣었다. 제작한 MEMS 소자 위에 광원인 이차원 반도체 물질(WSe2)을 결합할 경우, 미세 나노 피라미드 패턴에 의해 이차원 반도체 물질의 전자 에너지 구조가 국소적으로 변형이 된다. 에너지 구조의 변형이 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 정도의 국소적인 공간 안에서 일어나게 되면 매우 좁은 공간에 전자(electron)와 홀(hole)이 국소적으로 속박되게 되고, 이들은 마치 속박된 단일 원자와 같이 행동 (양자화)하게 된다. 본 연구진은 이러한 국소 응력 생성 기술을 이용하여 이차원 반도체 물질 내 원하는 위치에서 단일 광자원이 생성됨을 실험적으로 확인했다.

한걸음 더 나아가 양자 광원 생성 위치 제어와 함께 생성된 광원의 파장을 변조하기 위해서 마이크로 캔틸레버(micro-cantilever)의 역학적으로 변형시켰다. 이때 양자 구조에 가해지는 국소 응력 크기는 캔틸레버의 변형으로 인해 추가적인 변화가 나타났으며 이를 통해 단일 광자 파장을 능동적으로 제어하는데 성공하였다.

기존 이차원 반도체 물질 기반의 양자 광원에서 위치를 제어하거나 파장을 제어하는 기술은 제안된 바 있으나, 이 둘을 모두 제어하는 기술은 본 연구팀에서 처음으로 구현하였다.

3. 기대효과

이번 연구는 기존 고체 양자광원의 문제점 해결책 제시와 함께 하나의 칩 안에 동일한 광학 특성을 갖는 다수의 양자광 집적 소자 개발 가능성을 보여줬다. 해당 기술은 다양한 양자 광학 연구를 고체 시스템에서 구현할 수 있는 플랫폼 개발과 함께 다수의 양자광원을 기반으로 하는 양자 시뮬레이터, 양자 이미징 등에 응용 가능할 것으로 보인다.

[붙임] 용어설명

1. 단일 광자원(Single photon source)

고전 광원으로 분류되는 레이저의 경우 평균적인 빛의 세기는 일정하지만 미세세계 측면에서 바라본 광자의 분포가 일정하지 않은데, 이와 달리 단일 양자광원은 단일 광자를 일정 간격으로 분포시키는 것이 가능하고 개개의 광자에 양자 정보를 인코딩 하는 것이 가능해 광자 기반의 양자정보 구현에서 핵심 요소이다.

원자나 양자점 같은 단일 양자구조에서 불연속적인 에너지 상태를 이용하면 매순간 하나의 광자만 방출하는 단일 양자광원 생성이 가능하다. 

2. 큐비트와 양자 정보 과학 기술

1과 0으로 구분돼 정보를 표현하는 비트(bit)를 기반으로 한 고전 정보 기술과 달리, 양자 정보 기술은 1과 0의 상태가 중첩되어 정보를 표현되는 양자 비트(Qubit)을 기반으로 한다. 특히, 양자역학의 특징인, 양자 중첩, 양자 얽힘, 복사 불가능의 특징 등을 활용하게 되면 보안성이 뛰어난 양자 통신 기술, 고전 컴퓨터 방식에서는 비효율적으로 수행했던 연산을 빠른 시간 내에 해결할 수 있는 양자 연산 기술, 기존 회절 한계, 신호 대 잡음비 한계를 뛰어 넘는 양자 계측 기술 등을 구현할 수 있다.

3. 반도체 양자점(Quantum dot)

반도체의 전자 밴드 구조는 구성 원자나 물질의 결정구조 등에 의해 결정된다. 그런데 물질의 크기가 수 나노미터(㎚) 크기로 줄어들면 전자의 양자구속 효과로 인해 제한된 차원(양자우물, 양자선, 양자점)에 따라 밴드 구조의 형태가 변하게 된다. 이중 3차원적으로 전자를 구속하는 양자점은 불연속적인 전자 밴드 구조를 갖고, 이에 따라 원자와 유사한 광학적 특성을 갖게 된다.

4. MEMS 소자 (Microelectromechanical systems)

나노 기술을 이용해서 제작되는 나노/마이크로 크기의 매우 작은 전기구동시스템

[붙임] 그림설명

그림1. 제어 가능한 반도체 양자 광소자 모식도

(왼쪽) 국소 응력 제어를 위한 실리콘 MEMS 구조와 결합된 이차원 반도체 (WSe2) 물질 모식도. (오른쪽 위) WSe2 단일 원자층 물질이 나노 피라미드와 결합되어 있는 전자 현미경 사진. (오른쪽 아래) 전기장으로 제어 가능한 실제 양자 광소자 시료 사진

그림2. 양자 광소자 광학 특성 분석

(왼쪽) 매우 좁은 선폭을 갖는 단일 이차원 반도체 양자 구조 발광 스펙트럼 결과. (가운데) 광원의 양자 광학적 특성을 보여주는 이차　상관 관계 그래프. 그래프 가운데 부분이 내려가는 특성이 단일 광자원임을 나타낸다. (오른쪽) 시료의 국소 응력을 전기장으로 변화(Y축)시켜 가며 반도체 양자광원의 파장(X축)을 실시간 제어한 결과.