[굿모닝충청 최재근 기자] KAIST(총장 강성모) 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 육각형의 반도체 막대 구조에서 빛과 물질의 성질을 반절씩 동시에 갖는 양자 입자를 상온에서 관측하는 데 성공했다.
실생활에 응용되는 광소자는 빛과 물질의 상호작용을 기반으로 한다. 빛이 물질 내부에 충분히 오랫동안 머물 수 있는 적절한 조건을 만들면 서로가 강하게 상호작용을 하며 빛도 물질도 아닌 제 3의 입자가 생성되는데 이를 폴라리톤이라고 한다.
특히 반도체 내부에 존재하는 엑시톤과 빛을 강하게 결합시킨 경우를 엑시톤 폴라리톤이라 부른다.
이처럼 빛이 물질 내부에 충분히 머물기 위해선 좋은 품질의 거울 구조를 만드는 것이 필수적이다. 그러나 100%에 가까운 반사율을 갖는 거울 구조를 만드는 반도체 기술은 공정이 매우 복잡하고 제작 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 거울 대신 거울이 없어도 전반사의 원리로 인해 빛이 물질 내부에 갇혀 빛과 물질이 강한 상호작용을 하게 되는 육각기둥모양의 질화물 반도체 마이크로막대를 이용했다.
연구팀은 빛이 갇혀서 맴돌게 되는 위치에 질화물 반도체 양자우물을 성장시켜 기존 구조보다 약 5배 이상 강한 빛과 물질의 상호작용을 얻었다. 이를 통해 상온에서도 엑시톤 폴라리톤 입자가 형성됨을 검증했다.
새로운 입자인 엑시톤 폴라리톤은 빛과 물질이 지닌 장점을 동시에 갖는데, 빛으로부터 얻은 고유 특성으로 인해 전자에 비해 10만 배, 원자에 비해 10억 배 가벼운 질량을 갖게 된다.
이렇게 가벼운 질량은 ‘보즈-아인슈타인 응축’을 관측할 수 있는 임계온도를 올려주는 역할을 해 그 동안 절대영도(영하 273도) 근처에서 연구된 양자 현상들을 상온에서도 관측할 수 있는 가능성을 열어 준다.
또한 엑시톤으로부터 얻은 고유 특성으로 레이저, 광학 스위치 등 빛을 이용한 비선형 광학 시스템보다 10배 이상 낮은 구동 전류를 갖는 폴라리톤 기반의 신개념 광학 소자로도 응용이 가능하다.
조 교수는 “전통적 레이저의 문턱전류의 한계를 넘는 폴라리톤 레이저 개발로 이어질 수 있을 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동이 가능한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”고 말했다.
KAIST 물리학과 공수현 박사(1저자), 고석민 박사(2저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 모험연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 나노 분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 지난 8일자에 게재됐다.
◇용어 설명
▲보즈-아인슈타인 응축
1920년대에 보즈와 아인슈타인이 절대온도 0도에서는 모든 입자가 하나의 바닥 상태를 공유하는 양자 응집 현상을 관측할 수 있다는 ‘보즈-아인슈타인 응집 이론’이 만들어졌으며, 1990년대에 실험적으로 입증됨으로써 절대온도 0도 (영하 273도)근처에서 실험적으로 최초로 입증됨으로서 노벨물리학상을 수상한바 있다.
▲폴라리톤
빛과 물질의 두 성질을 모두 가진 준입자를 뜻하며, 빛과 강한 상호작용을 하고 있는 대상에 따라 포논 폴라리톤, 엑시톤 폴라리톤, 표면 플라즈몬 폴라리톤 등의 종류가 있다.
▲엑시톤
반도체나 절연체 속에서 여기 된 전자와 양공이 정전기력으로 인해 결합하여 만든 준입자이다. 이 준입자는 중성이며 고체 내부에서 하나의 입자처럼 돌아다닌다.
▲양자우물
에너지가 큰 반도체 사이에 에너지가 작은 반도체를 나노미터 수준의 얇은 적층구조로 쌓아서 만들어지는 우물형태의 양자구조로서, 반도체 내부에 만들어진 엑시톤이 갇혀져서 양자 효과를 일으킨다.
▲질화물 반도체
질화물 반도체란, III-V족 반도체 중 V족 원소로 질소를 이용한 반도체이다. 일반적인 반도체에 비해 밴드갭이 큰 물질이며 발광 파장은 자외선부터 가시광선, 그리고 근적외선까지 조절할 수 있다. 대표적으로 질화 알루미늄(AIN), 질화 갈륨(GaN), 질화 인듐(InN)이 있다.
