빛과 물질 성질 동시에 갖는 양자 입자 상온에서 관측

카이스트 연구팀, 관측하는데 성공

▲마이크로 막대 내부에 쉘 형태로 양자우물이 위치하고 내부에 전반사의 원리로 속삭임 회랑 모드의 빛이 형성된다.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 빛과 물질의 성질을 동시에 갖는 양자 입자를 상온에서 관측하는데 성공했다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 육각형의 반도체 막대 구조에서 빛과 물질의 성질을 반절씩 동시에 갖는 양자 입자를 상온에서 관측하는 데 성공했다고 15일 발표했다.

실생활에 응용되는 광소자는 빛과 물질의 상호작용을 기반으로 한다. 빛이 물질 내부에 충분히 오랫동안 머물 수 있는 적절한 조건을 만들면 서로 강하게 상호작용을 해 빛도 물질도 아닌 제 3의 입자가 만들어진다. 이를 폴라리톤이라고 한다. 특히 반도체 내부에 존재하는 엑시톤과 빛을 강하게 결합시킨 경우를 '엑시톤 폴라리톤'이라 부른다.

이처럼 빛이 물질 내부에 충분히 머물기 위해선 좋은 품질의 거울 구조를 만드는 것이 필수적이다. 100%에 가까운 반사율을 갖는 거울 구조를 만드는 반도체 기술은 공정이 매우 복잡하고 제작 시간이 오래 걸리는 한계가 있었다.

문제 해결을 위해 연구팀은 거울 대신 육각기둥모양의 질화물 반도체 마이크로막대를 이용했다. 이 막대를 사용하면 거울이 없어도 전반사의 원리로 인해 빛이 물질 내부에 갇혀 빛과 물질이 강한 상호작용을 하게 된다. 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 갖는다. 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.

또 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. 연구 결과는 나노 분야 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 8일자에 실렸다.

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 이뤄진 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 모험연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr