수 원자층 두께 반도체에 빛을 구속하고 제어하는 기술 개발
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수 원자층 두께 반도체에 빛을 구속하고 제어하는 기술 개발
  • 이현건 기자
  • 승인 2022.11.08 18:37
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- 초저전력 광 집적회로로의 응용 기대
- 공수현 교수팀 연구결과 Advanced Materials 게재

 

             (왼쪽부터) 고려대학교 물리학과 공수현 교수, 신동진 (공동 1저자), 조현희 (공동 1저자) 박사과정

고려대학교 물리학과 공수현 교수팀이 빛과 물질의 성질을 동시에 가지는 양자 준입자를 이용해 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준에서도 빛을 전파 및 제어할 수 있는 플랫폼을 2차원 물질 박막을 통해 구현했다.

일반적으로 빛은 파동의 성질을 갖고 있기에 빛의 파장보다 작은 공간에 가두어질 수 없는 것으로 알려져 있다. 하지만 공수현 교수팀은 빛과 강하게 상호작용하는 반도체 물질을 사용하면 빛의 파장보다 훨씬 작은 수 나노미터에서 수십 나노미터 수준에서도 빛을 가둘 수 있다는 것이 가능한 것을 확인했다.

반도체가 빛을 흡수하면 반도체 안에 전자와 양공이 수소원자처럼 결합되어 있는 엑시톤 이라는 준입자가 형성될 수 있다. 이때 엑시톤이 빛과 강하게 상호작용하게 되면 빛과 물질의 성질을 모두 갖는 양자 준입자가 형성되는데 이를 엑시톤-폴라리톤이라 한다. 

보통은 엑시톤-폴라리톤을 만들기 위해서는 빛을 강하게 집속시키는 거울 구조를 반도체와 결합하여야 하는데, 연구팀은 2차원 반도체의 경우 거울 구조를 별도로 결합하지 않아도 2차원 반도체 자체에 자발형성된 엑시톤-폴라리톤이 형성될 수 있음을 밝혔다. 이 엑시톤-폴라리톤을 이용하면 빛의 파장보다 훨씬 얇은 수 원자층 두께의 반도체에서도 빛을 제어할 수 있게 된다. 

또한 연구팀은 2차원 반도체에 존재하는 엑시톤-폴라리톤 형태의 빛은 새로운 물리적 성질을 가짐을 보였다. 예를 들어 펌핑 레이저의 세기를 조절하여 엑시톤-폴라리톤의 상태를 연속적으로 튜닝할 수 있으며 2차원 반도체가 가지는 밸리편광을 그대로 가지고 있음을 관측했다. 

엑시톤-폴라리톤은 제어가 간편한 물질적 특성과 질량이 없어 매우 빠른 빛의 특성을 모두 지닌 입자로서 응용 가능성이 매우 큰 것으로 여겨진다. 공수현 교수는 “이번 연구 결과는 금속이 아닌 반도체 물질로도 빛을 회절한계 이하로 강하게 집속시킬 수 있다는 의의가 있으며, 새로운 편광상태인 밸리편광으로 엑시톤-폴라리톤을 제어할 수 있다는 점에서 새로운 개념의 광 집적회로 개발로도 이어질 수 있을 것이라고 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

삼성미래기술육성사업으로 수행된 이번 연구는 공교수의 지도를 받아 신동진 (공동 1저자), 조현희 (공동 1저자) 박사과정 학생이 수행했으며, 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=32.086)에 독일 현지시간 기준 11월 2일자 온라인 게재됐다. [https://doi.org/10.1002/adma.202207735].

 


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