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.

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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 소자이다.

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.

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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)