[주영곤 기자]

(사진제공=UNIST) [연구진사진] (좌측부터) 남궁선 교수, 김제형 교수, 사티아브라트 베헤라 연구원, 문종성 연구원

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(울산=국제뉴스) 주영곤 기자 = 전압을 가해 켜고 끌 수 있는 단일양자광원이 새롭게 개발됐다. 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자의 에너지가 변하는 부작용이 해결돼, 단일양자광원을 이용한 칩 기반 양자컴퓨팅과 양자암호통신 기술 개발을 기대할 수 있게 됐다.

UNIST 물리학과 남궁선·김제형 교수팀은 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다.

일반적인 형광등에서 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)가 쏟아져 나오는 것과 달리, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출하는 광원이다. 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 쓸 수 있다.

스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하면서 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않는다. 특히 여러 광원이 집적돼 전압이 불안정한 칩 환경에서는 스타크 효과가 더 문제가 된다.

연구팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만드는 방식으로 스타크 효과를 억제한 단일양자광원을 개발했다. 개발된 광원은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)가 올려진 구조로, 실리콘과 반도체 사이에 공기층이 형성되어있다. 이 공기층이 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여줘 광자의 에너지 변화를 막는다.

또 순도도 개선됐다. 단일양자광원을 실제로 만들면 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 있는데, 이번 연구에서는 이 확률값이

0.06 수준으로 나타났다. 확률값이 0.5 이하이면 단일양자광원으로 간주되며 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출되는 순도가 높은 상태를 의미한다.

연구팀은 실리콘 나노 피라미드와 2차원 반도체 사이에 삽입한 고품질 절연층이 주변 결함에서 발생하는 배경 발광을 줄인 덕분이라고 설명했다.

이번 연구에는 사티아브라트 베헤라(Satyabrat Behera) 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여했다.

공동 연구팀은 "전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 구조를 제시한 것에 의미가 있다"며 "실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구결과는 나노 레터스(Nano Letters)에 3월 11일 온라인 게재됐다. 연구수행은 정보통신기획평가원(IITP) ITRC 사업, 한국연구재단, UNIST 미래선도형 특성화사업 등의 지원을 통해 이뤄졌다.

(논문명: Electrical Control of Single Photon Emitters in WSe₂ on a Si Nanopyramid Array with a Negligible Stark Effect)

※ 붙임 : 연구결과개요, 용어설명, 그림설명

■ 연구 결과 개요

1. 연구배경

광기반 양자 정보 기술은 단일 광자를 정밀하게 생성·제어할 수 있는 단일 광자 방출기(SPE)를 핵심 부품으로 필요로 한다. 단일 광자는 편광, 시간, 위치 등의 자유도를 활용하여 양자 암호 통신, 광자 기반 양자 컴퓨팅, 양자 센서 등 다양한 양자 기술의 기반이 된다. 단일 광자 방출기의 실용화를 위해서는 단순한 광자 생성을 넘어, 전기적 신호로 개별 방출기를 독립적으로 켜고 끌 수 있는 양자광 스위칭 기술이 필수적이다.

최근 원자층 두께의 2차원 반도체 물질인 전이금속 다이칼코게나이드(TMDC) 계열의 WSe2, MoS2 등이 새로운 단일 광자 방출기 플랫폼으로 주목받고 있다. 이들 소재는 높은 단일 광자 순도, 기계적 유연성, 칩 집적화 용이성과 함께, 전기장·변형·자기장 등 외부 자극에 의한 변조가 용이하여 양자광 스위칭 소자로서 큰 잠재력을 지닌다. 특히 국소 응력(strain)을 통해 원하는 위치에 단일 광자 방출기를 결정론적으로 생성할 수 있다는 점이 큰 강점이다.

그러나 기존의 전기 제어 방식은 두꺼운 절연층이나 복잡한 이종접합 구조 전극이 필요해 높은 전압이 요구됐으며, 전압 인가 시 단일 광자의 에너지(파장)가 변하는 스타크 효과(Stark effect)가 불가피하게 발생했다. 이는 광학 공진기와의 파장 정합, 다중 방출기 집적 운용 등 양자 정보 기술 구현의 장애 요인으로, 낮은 전압으로 파장 안정성을 유지하면서 광자 방출을 제어할 수 있는 새로운 플랫폼 개발이 시급하다.

2. 연구내용

본 연구에서는 실리콘 나노피라미드 배열을 기반으로 단층 WSe2에서 단일 광자 방출기를 원하는 위치에 선택적으로 생성하고, 전기적으로 정밀 제어하는 새로운 플랫폼을 개발하였다.

연구팀은 실리콘을 식각하여 만든 나노피라미드 구조 (높이~200 nm, 폭~300 nm) 위에 얇은 절연층(Al2O3)을 코팅하고, 그 위에 단층 WSe₂를 올리는 방식을 사용했다. 나노피라미드의 뾰족한 끝이 WSe2에 강한 국소 응력을 가해 그 자리에 단일 광자 방출기를 자동으로 만들어내는 원리다. 동시에 나노피라미드 자체를 전극으로 활용하고, 절연층을 양자 터널링 장벽으로 이용해 전압으로 단일 광자 방출을 켜고 끌 수 있도록 설계하였다. 즉, 전압에 의해 전자가 절연층을 양자역학적으로 통과(터널링)하면서 WSe2의 광자 방출을 제어하는 구조다.

특히, 인가 전압을 통해 WSe2 내부의 광여기 전자가 절연층을 강제로 통과(파울러-노르트하임 터널링)하여 빠져나가면서 단일 광자 방출이 꺼지는 원리로, 단순한 전압 조절만으로 단일 광자 방출기를 정밀하게 스위칭할 수 있음을 확인하였다.

이번 연구의 핵심 성과는 전압을 가해도 단일 광자의 파장이 거의 변하지 않는다는 점이다. 나노피라미드의 뾰족한 끝단과 WSe2 사이에 형성되는 미세한 에어갭(공기층)으로 인해, 단일 광자 방출기가 위치한 끝단에서의 전기장이 옆면보다 약 20배 낮게 형성되어 슈타르크 효과가 자연스럽게 억제된다. 덕분에 전압을 인가해도 광자 에너지 변화가 기존 연구 대비 현저히 작아, 파장 안정성을 유지하면서 밝기만을 독립적으로 조절할 수 있었다.

또한 h-BN(육방정계 질화붕소) 박막을 추가하여 유전체 결함으로 인한 단일 광자가 꺼지는 문제를 해결하고, 단일 광자 순도를 나타내는 g(2)(0) 값을 0.37에서 0.06까지 크게 향상시키는 데 성공하였으며, 이는 94%의 순도로 단일 광자를 생성할 수 있다는 의미이다.

3. 기대효과

본 연구는 실리콘 나노피라미드라는 단순한 구조로 단일 광자 방출기의 전기적 제어와 파장 안정성을 동시에 구현한 새로운 플랫폼으로서, 양자 광자 기술 실용화에 중요한 의의를 가진다.

이번 연구에서 구현한 파장 변화 없는 단일 광자 전기 제어 기술은 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 센서 등 실용 양자 기술 구현의 핵심 병목을 해소하는 광원 제어 기술로 직접 활용될 수 있다. 특히 다수의 단일 광자 방출기를 하나의 칩 위에서 독립적으로 제어해야 하는 양자 광자 회로에서, 파장 안정성을 유지하면서 개별 방출기를 스위칭할 수 있다는 점은 실용화를 위한 핵심 요건을 충족시키는 중요한 진전이다. 나아가 나노 피라미드의 뾰족한 기하학적 구조가 외부 전기장 잡음으로부터 단일 광자 방출기의 파장을 자연스럽게 보호하는 역할을 하여, 실험실 수준을 넘어 실제 소자 환경에서도 높은 안정성과 신뢰성을 기대할 수 있다.

무엇보다 본 연구는 기존 실리콘 반도체 공정과 완전히 호환되는 방식으로 구현되었기 때문에, 원자, 양자점, 고체 내 점결함 등 다양한 양자 방출기 플랫폼으로의 이식과 확장이 용이하다. 이러한 범용성과 확장성은 기초 과학적 성과를 넘어 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 등 차세대 양자 기술 전반으로의 기술적 파급력을 갖는다.

■ 용 어 설 명

1. 단일 광자 방출기 (Single Photon Emitter, SPE)

한 번에 정확히 하나의 빛 입자(광자)만을 방출하는 양자 광원. 양자 암호 통신, 광자 기반 양자 컴퓨팅, 양자 센서 등 차세대 양자 기술의 핵심 부품이다.

2. 전이금속 다이칼코게나이드 (TMDC)

텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 전이금속과 셀레늄(Se), 황(S) 등으로 이루어진 원자층 두께의 2차원 반도체 소재. 원자층 한 층에서 강한 발광 특성을 보이며, 기계적 유연성과 전기적 제어 용이성 덕분에 단일 광자 방출기 플랫폼으로 주목받고 있다.

3. 스타크 효과 (Stark Effect)

외부 전기장이 인가될 때 양자 에너지 준위가 변화하여 방출 광자의 에너지(파장)가 이동하는 현상.

4. 양자 터널링 (Quantum Tunneling)

전자가 고전 역학적으로는 넘을 수 없는 에너지 장벽을 양자역학적으로 통과하는 현상. 본 연구에서는 절연층을 터널링 장벽으로 활용하여, 전압 인가 시 전자가 이 장벽을 통과하면서 단일 광자 방출을 제어하는 스위칭 메커니즘으로 이용하였다.

5. 파울러-노르트하임 터널링 (Fowler-Nordheim Tunneling)

전기장이 인가될 때 에너지 장벽이 기울어지면서 전자가 통과해야 할 유효 장벽 두께가 얇아져 터널링 확률이 급격히 높아지는 현상. 본 연구에서는 WSe2의 광여기 전자가 이 방식으로 절연층을 빠져나가면서 단일 광자 방출이 꺼지는 스위치 오프(switch-off) 메커니즘을 설명하는 데 활용되었다.

6. h-BN (육방정계 질화붕소, Hexagonal Boron Nitride)

육방정계 구조를 가진 원자층 두께의 2차원 절연 소재로, 원자적으로 평탄하고 결함이 거의 없는 표면을 가진다.

7. g(2)(0) (이차 광자 상관 함수의 시간 지연 0값)

단일 광자 방출기의 순도를 정량적으로 나타내는 지표. 값이 0에 가까울수록 이상적인 단일 광자 방출을 의미하며, 0.5 미만이면 단일 광자 광원으로 인정된다.

■ 그 림 설 명

[연구그림] 단일양자광원의 구조 및 스타크 효과 억제 성능

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그림1. 단일양자광원의 구조와 스타크 효과 억제 성능 (좌측）실리콘 나노 프라미드에 위치한 단일양자광원에서 단일 광자가 방출되는 모식도 (중앙) 양자광원의 구조 도식 (우측) 개발된 양자광원(빨간별)의 스타크효과(그래프 Y축)이 가장 낮음을 볼 수 있다.

[연구그림] 2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도

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그림2. WSe₂ 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도 빨간색으로 표시된 전기장이 뾰족한 피라미드 모서리 끝으로 갈수록 줄어들어 스타크 효과를 제한한다. 오른쪽 실험 결과들은 인가 전압에 따른 단일 광자 스위칭에 관한 실제 예로, 스타크 효과를 억제하여 (오른쪽 아래 그래프의 파란색 데이터 값이 일정함) 광 주파수 안정성이 뛰어난 상태로 단일 광자 밝기를 독립적으로 제어하여 (오른쪽 아래 그래프의 분홍색 데이터 값이 전압에 따라 조절됨) 광 스위칭을 구현한 결과를 보여준다 .

[연구그림] 전기장을 이용한 단일광원 제어 메커니즘

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그림3. 전기장을 이용한 단일광원 제어 메커니즘.게이트 전압과 레이저 조건에 따라 단일양자광원 내부의 전자와 정공 이동이 달라지며, 이를 통해 단일광자 방출 세기(on-off)가 조절된다. 레이저가 켜진 상태에서 음전압(Vg < 0)을 가하면 생성된 전자·정공이 파울러–노르트하임 터널링(FNT)으로 빠져나가 발광이 약해지고(off), 양전압(Vg > 0)에서는 직접 터널링(DT)을 통해 캐리어가 유지되거나 공급돼 발광(전자와 정공이 만나서 빛을 내는 현상)이 강해진다(on). 레이저만을 켰다 껐다 하는 방식보다 전압을 통해 온오프를 조절하는 방식은 칩 위에서 여러 광원을 동시에 제어할 수 있어 대규모 양자소자 구현에 유리하다.

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