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학술

단일광자원의 위치 및 편광 제어 기술 개발

“Nano Letters”에 1월 27일자로 온라인 게재

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고대 박홍규 교수팀, 
원자 두께로 얇은 2차원 물질에 국소적으로 변형 가해 
위치 및 편광이 제어된 새로운 형태의 단일광자원 생성




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 소자다. 
   
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. 

그러나 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 측정됐다.  

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 형성됐다.  
  
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)


논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보 

논문명
Polarization Control of Deterministic Single-Photon Emitters in Monolayer WSe2
저  자
소재필(제1저자, 고려대학교), 정광용(공동1저자, 고려대학교), 이정민(공동1저자, 고려대학교), 김경호(공동저자, 충북대학교), 이순재(공동저자, 고려대학교), 허웅(공동저자, 고려대학교), 김하림(공동저자, 고려대학교), 최재혁(공동저자, 고려대학교), 김진명(공동저자, UIUC), 김윤석(공동저자, 고려대학교), 이철호(공동저자, 고려대학교), 남성우(교신저자, UIUC), 박홍규(교신저자, 고려대학교)

 
 1. 연구의 필요성

  ㅇ 양자역학에 기반을 둔 양자 암호학은 고전 암호기술의 문제를 극복할 수 있는 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 소인수 분해, 이산로그 방식을 기반으로 하는 고전적인 암호체계와는 달리 양자 암호체계는 양자역학의 기본원리 중 하나인 불확정성의 원리에 근거를 두고 있기 때문에 정보의 복사가 불가능하고, 측정이 비가역적이어서 도청 및 감청이 불가능하다.

  ㅇ 단일광자원은 이러한 양자 암호기술과 양자 정보처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자이다. 특히, 단일광자원에서 방출되는 광자를 제어하는 기술은 양자 키 분배와 같은 고급 양자 암호 기술로 활용하기 위해서 필수적으로 개발되어야 하는 부분이다.

  ㅇ 최근에는 원자수준으로 얇은 2차원 반도체 물질에서 자연적/인공적 결함에 의한 양자 구속 효과를 이용한 단일광자원 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2차원 반도체 물질은 구조적 특징으로 인해 전반사를 고려할 필요가 없으므로, 1차원 또는 3차원 물질과 비교하여 매우 높은 광 추출효율을 갖는다.

 ㅇ 하지만 단일광자가 방출되는 결함의 분포는 무작위이기 때문에 소자로 개발하기 어려울 뿐 아니라, 양자 암호 통신 또는 양자 정보처리 기술의 실용화를 위해서는 방출된 단일광자의 위치와 편광 방향 등 광특성을 원하는대로 제어하는 방법이 필요하다. 

 ㅇ 더 나아가, 단일광자원은 광도파로 및 공진기 등 외부 광구조와 결합되어 방출 효율을 더욱 높일 수 있어야 한다. 제어되지 않는 광특성을 갖는 단일광자원은 외부 광구조와의 결합 효율이 현저히 떨어진다.  


 2. 연구내용

  ㅇ 이번 연구에서 2차원 반도체 물질 단일층에 국소적인 스트레인 변형을 가하여 원하는 위치에 단일광자원을 생성시키는 새로운 방법을 개발했다. 구체적으로, 단일층 WSe2를 나노갭이 있는 유전체 나노구조 위에 전사시켜 인위적인 트랩핑 포텐셜을 형성했다. 이를 통해 원하는 나노갭의 위치에서만 단일광자를 성공적으로 생성시킬 수 있었다.

  ㅇ 또한, 나노갭의 너비를 바꾸면서 국소 스트레인의 모양을 제어했고, 결과적으로 방출되는 단일광자의 편광 방향을 조절하는데 성공했다. 

  ㅇ 단일광자원이 실제로 광자를 하나씩 방출하는지 실험적으로 확인하기 위해 광자 상관관계 측정을 진행했다. 그 결과, 단일광자원의 생성 효율은 83 %, 순수도는 0.01 이하였고, 광반복률은 15 MHz 이상의 높은 값으로 측정되었다. 

  ㅇ 특히, 나노갭의 너비에 따라 방출되는 단일광자의 편광 방향을 100%의 효율로 제어했다. 나노갭의 크기가 90 nm보다 작으면 수평 방향으로, 나노갭의 크기가 90 nm보다 크면 수직 방향으로 편광 방향이 형성되었다.  

  ㅇ 이와 더불어, 위치와 편광 방향이 제어된 단일광자원을 광결정 나노공진기와 결합시켜 단일광자원의 발생 효율을 2 배 증가시킬 수 있었다.  


3. 기대효과

  ㅇ 이번 연구는 원자층 두께의 2차원 반도체 물질에 스트레인 변형을 인가하여 단일광자의 생성 위치와 편광 상태를 동시에 제어한 최초의 실험 결과이다. 이는 양자 키 분배와 같은 고급 양자기술에 응용할 수 있는 단일광자원 기술로써 그 의미가 크다.

  ㅇ 기존의 다이아몬드, 양자점 등을 이용해 생성한 단일광자원과 비교하여 이번 연구에서 개발한 2차원 물질 단일광자원은 높은 광추출 효율을 가지며 외부 광구조와 결합이 용이하므로 다양한 응용 소자의 연구 또한 가능하다.

  ㅇ 특히, 단일광자원과 광결정 나노공진기의 효율적인 결합을 실험적으로 확인함으로써, 향후 단일광자원을 이용한 광집적회로를 개발하는 연구에 많은 도움이 될 것으로 기대한다.


★ 연구 이야기 ★


□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

단일광자원 구현의 어려움으로 인해 현재 대부분의 양자 키 분배 기술에는 약한 결맞음을 갖는 레이저 펄스빛이 이용된다. 두 개 이상의 광자로 이루어진 레이저 펄스빛의 이용은 전달하고자 하는 정보가 도청 당할 수 있는 위험을 피할 수 없다. 따라서 뛰어난 보안성을 갖는 양자암호기술을 활용하기 위해서는 안정적인 단일광자원의 개발이 필수적이다. 지난 10년간 보고된 단일광자원은 대부분 0차원 또는 3차원 물질을 통해 구현되었으나, 기존의 반도체 양자점 성장 기술 및 원자 결함을 제어하는 기술은 여전히 한계점이 존재한다. 또한, 양자기술 구현을 위해서는 단일광자원의 광학적 특성을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 본 연구팀에서는 가시광-적외선 영역에서 빛을 방출하는 2차원 반도체 물질에 주목하여 다양한 광소자를 개발하는 연구를 진행하고 있다. 특히, 2차원 물질에 스트레인을 가했을 때 광특성이 변한다는 사실을 발견하고, 이를 이용해 ‘기존의 단일광자원을 대체할 수 있는 새로운 단일광자원을 개발할 수 있지 않을까’ 하는 생각에 이번 연구를 시작하게 되었다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

우선 2차원 반도체 물질 단일층을 나노 기둥, 나노선 등의 구조 위에 전사시켜 스트레인이 인가되는 부분에서 엑시톤 구속 효과에 의해 단일광자원이 생성되는 것을 확인하였다. 특히, 인가되는 스트레인의 분포를 비대칭적으로 가했을 때, 방출되는 단일광자의 편광 방향이 제어될 수 있음을 확인하고 AFM 현미경 측정 및 전산모사를 통해 스트레인과 편광 방향 사이의 상관관계를 규명했다. 또한, 시간 상관관계 함수 측정 등을 통해 단일광자원의 다양한 광특성을 체계적으로 측정하였다. 더 나아가, 단일광자원을 광결정 나노공진기와 결합하여 단일광자의 방출 효율을 증가시킬 수 있음을 실험적으로 증명하였다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번에 개발한 단일광자원은 절대온도 4도, 즉, 영하 270도 정도에서 동작하기 때문에 이러한 온도를 유지시키면서 광특성을 측정하는 것이 어려웠다. 특히, 광자가 하나씩 방출되는지를 검증하기 위해서 광학 간섭계를 이용한 광자의 시간 상관관계 함수를 측정해야 하는데, 이 실험은 진동이나 노이즈 등에 매우 민감하기 때문에 정밀한 실험 셋업을 꾸며야만 했다. 또한, 광결정 나노공진기를 2차원 물질 단일광자원에 옮겨서 결합시키는 연구는 이제까지 수행된 적이 없는, 본 연구에서 최초로 진행된 실험이었다. 처음하다 보니 샘플 제작에 어려움이 많았지만, PDMS stamping 기법을 이용해 나노공진기를 단일광자원과 성공적으로 결합시킬 수 있었다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

위치와 편광 방향이 동시에 제어된 단일광자원을 개발하였다는 것이 기존과 매우 다르다. 기존의 단일광자원 개발 연구는 생성 위치를 제어하기 힘든 반도체 양자점이나 다이아몬드 등에 생기는 원자 결함에 의존해왔다. 또한 이렇게 생성된 단일광자원은 방출되는 광자의 편광 방향이 제어되지 않기 때문에, 광도파로 및 공진기 등에 효과적으로 결합시킬 수 없었다. 이번 연구에서 개발한 2차원 반도체 물질을 이용한 단일광자원은 위치 및 편광 방향이 동시에 제어되고 높은 방출 효율을 갖고 있어, 단일광자원을 이용한 양자 암호 통신에 매우 유리하다. 특히, 본 연구에서는 단일광자원에 직접 광결정 나노공진기를 결합시켜, Purcell 효과에 의해 단일광자원의 방출 효율이 증대되는 것을 실험적으로 확인하였다. 


□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은? 

앞으로 단일광자원의 실용적인 응용을 위해 전기구동 단일광자원을 개발하고자 한다. 또한, 단일광자원의 광섬유 통신을 위해 통신파장 대역에서도 사용할 수 있는 단일광자원을 개발하고자 한다.




그림 설명

                 


(그림1) 국소적인 스트레인 변형을 이용해 생성 위치와 편광 방향이 동시에 제어된 2차원 물질 단일광자원
(왼쪽) 단일광자원의 생성 위치 및 편광 특성의 제어 원리를 나타내는 모식도. (오른쪽) 공초점 주사 레이저 현미경을 이용해 측정한 단일광자원 배열. 나노갭의 너비에 따라 수평 혹은 수직 방향의 편광 방향이 결정된다. 





(그림2) 광결정 나노공진기와 결합된 단일광자원

(A) 1차원 광결정 나노공진기와 결합된 단일광자원의 모식도. (B) 나노갭을 이용하여 만든 단일광자원에 광결정 나노공진기가 결합된 구조의 전자현미경 사진. (C) 시간분해 발광 측정 결과. 나노공진기에 의해 단일광자 방출 효율이 2 배 증가했다.




박홍규 교수 [교신저자] 이력사항


1. 인적사항                             
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과                                  
 ○ 전 화 : 02-3290-3117
 ○ e-mail : hgpark@korea.ac.kr

2. 학력
 ○ 2004년 KAIST 박사 (물리학)
 ○ 2005 ~ 2007 미국 하버드대학교 박사후연구원

3. 주요 경력사항/수상실적 
 ○ 2007 ~ 현재 고려대학교 물리학과 교수
 ○ 2009 ~ 현재 극미세 나노선 광소자 창의연구단 연구단장
 ○ 2012 ~ 현재 한국과학기술한림원 준회원 및 차세대회원
 ○ 2017 ~ 현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 학연교수
 ○ 2017 한국물리학회 학술상
 ○ 2017 한국광학회 성도광과학상
 ○ 2018 제1회 한성과학상(물리)
 ○ 2018 과학기술정보통신부 이달의 과학기술인상(7월)
 ○ 2020 과학기술정보통신부 올해의 기초연구자

4. 전문분야 정보
 ○ 나노광학(빛과 나노물질 사이의 상호작용 연구)

5. 연구지원 정보
 ○ 2009 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(리더연구)




소재필 박사과정생 [제 1저자] 이력사항

1. 인적사항                                          
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과                               
 ○ 전 화 : 02-3290-3524
 ○ e-mail : jaepilso@korea.ac.kr 

2. 학력
 ○ 2009 ~ 2014 고려대학교 이학학사 (물리학)
 ○ 2015 ~ 현재 고려대학교 물리학과 석박사통합과정

3. 주요 경력사항/수상실적
 ○ 2017 국제학회 ICON-2DMAT 2017 우수포스터 발표상
 ○ 2018 백운 펠로우십 수상
 ○ 2019 국제학회 ICAMD 2019 우수포스터 발표상
 
4. 전문 분야 정보
 ○ 나노광학(빛과 나노물질 사이의 상호작용 연구)

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