[지금은 과학] 차세대 광소자 나온다…양자물질 전기·자기적 성질 조절


국제연구팀, 관련 논문 발표

[아이뉴스24 정종오 기자] 양자물질의 전기적, 자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술이 처음으로 구현됐다.

과학기술정보통신부(장관 임혜숙)는 박제근 교수 연구팀(서울대 물리천문학부)과 D. Hsieh 교수 연구팀(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질의 전기적․자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계최초로 구현했다고 9일 발표했다.

연구팀은 벌집 형태의 평면구조를 지닌 절연체인 삼황화린망간(MnPS3)에 강한 빛(>109 V/m)을 가해 이 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인했다. 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 밝혀냈다.

강한 주기적 구동(빛)이 시료에 도달할 때, 시간에 따라 2차 고조파 발생(second harmonic generation) 세기 감소가 어떻게 나타나는지 보여준다. 연구진은 2차 고조파 발생 세기의 변화가 가해지는 빛의 세기와 편광 방향에 강하게 의존함을 확인하였다. 빛의 세기와 편광 방향에 따라 실험에서 얻은 2차 고조파 발생 세기 감소량이 이론적으로 계산한 값과 일치함을 알 수 있다. [사진=과기정통부]

기존 연구에서는 강한 빛으로 인한 발열이나 손상 우려 때문에 약한 빛(~107 V/m)만을 이용했는데 이번 연구는 강한 빛(>109 V/m)을 이용해 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

이번에 연구팀이 구현한 기술은 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학(Floquet engineering) 기술을 세계 최초로 구현한 것이어서 눈길을 끈다. 재료과학 또는 광학 분야에서 앞으로 높은 활용도가 기대된다.

기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있고 이 경우 열손실을 크게 줄일 수 있어 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있다. 저탄소사회로 가는 데 중요한 핵심기술로도 주목받고 있다.

박제근 교수는 “이번 연구 성과는 플로켓 공학 기술을 2차원 양자물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것”이라고 설명했다.

연구결과(논문명:Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering)는 국제학술지인 네이처(Nature)에 12월 9일 자로 실렸다.

/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)







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