한국연구재단(이사장 조무제)은 김광석 교수(부산대)가 영남대 김종수 교수와 KIST 송진동 박사와의 공동연구를 통해 나노 크기의 두 양자점 사이의 결합을 기존의 전기가 아닌 빛으로 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

양자점은 자연에 존재하는 원자(예: H2, O2 등)와 유사하게 두 개의 전자를 결합시킨 인공원자(artificial atom)이다. 수 백 개의 원자들로 구성된 나노미터 크기의 결정체로, 초미세 반도체, 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양한 제품에 적용될 수 있다.

양자점 내 존재하는 서로의 양자상태(전자)들이 중첩돼 있는 현상이 양자 통신의 기본 단위다. 중첩이 되는 전자 상태의 신호들이 많을수록 정보 전송 효율이 기하급수적으로 올라간다. 전자들이 중첩되려면 두 양자점이 나노 크기로 가까이 있어야 한다.

기존에는 양자점 사이 전자 결합을 전기적 제어 기술로 유도했다. 강력한 전압을 받은 한 양자점 내 전자 파동이 다른 양자점 전자 파동과 결합하여 신호를 중첩시켰다.

그러나 위 방법은 양자점 사이 수십 나노미터 크기의 작은 공간에 전기회로를 구성해야 하는 번거로움이 따랐다. 전기회로를 이용 시 전압의 방향을 바꿀 수 없어 전자의 정렬 방향도 변경 불가능했다.

김광석 교수팀은 영남대 김종수 교수, KIST 송진동 박사와 공동으로 편광 방향을 통해 인접한 양자점 간 결합을 선택적으로 유도해 제어하는 신기술을 개발했다. 전기회로의 번거로운 제작공정 없이  전기장을 지닌 빛을 비추는 것만으로도 양자점 내 전자 결합을 손쉽게 제어할 수 있다.

편광은 전기장의 방향이 일정한 빛이다. 이러한 빛의 전기장 방향으로 편광의 방향을 구별한다. 쌍극자는 크기는 같으나 부호가 반대인 두 전하가 나란히 있는 것이다.

양자점에 편광을 비추면 엑시톤이 두 양자점에서 각각 생성된다. 생성된 엑시톤(한 단위가 된 전자와 정공의 결합체)은 비춰진 편광의 방향에 따라 배열이 달라진다. 

편광이 두 개의 양자점을 가로지르는 방향과 나란한 경우, 엑시톤이 서로 끌어당기므로 전자가 결합된다. 그러나 편광이 위 방향과 다른 수직 방향인 경우, 엑시톤이 서로 밀어내므로 전자 결합이 되지 않는다.

김광석 교수는 “편광 방향을 바꾸는 것만으로도 양자점 내 전자의 결합을 손쉽게 제어할 수 있게 됐다”며 “더 많은 신호의 중첩이 효율적으로 가능해져, 양자통신·양자컴퓨터 기술을 진보시킬 원천기술이 되기를 기대한다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

한국연구재단에서 지원한 일반연구자지원사업(교육부 소관사업)을 통해 거둔 이번 연구성과는 나노분야 최고수준의 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 12월 14일에 게재됐다.