세상에서 가장 얇은 양자거울(quantum mirror) 탄생
세상에서 가장 얇은 양자거울(quantum mirror) 탄생
  • 조송현 조송현
  • 승인 2018.01.27 14:00
  • 업데이트 2018.01.27 00:00
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세상에서 가장 얇은 양자거울(quantum mirror) 탄생

전자와 전자구멍이 결합한 엑시톤이 빛을 반사하는 양자거울의 개념도. 출처: ETH(A. Imamoğlu and P. Back)/Physical Review Letters

두께가 원자 크기인, 세상에서 가장 얇은 초박막 양자거울(quantum mirrors)이 개발됐다고 미국의 과학기술 전문 매체 라이브 사이언스가 물리학 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)를 인용해 보도했다.

이는 양자전자공학(quantum-eletronics)의 쾌거로 물리적 가능성의 한계를 초월한 획기적인 성과라는 평가를 받는다. 초박막 양자거울은 정보를 전송하기 위해 레이저빔을 사용하는 컴퓨터칩과 특수센서에 곧바로 사용될 수 있어 이 분야 기술의 획기적인 발전을 견인할 것으로 예상된다.

공교롭게도 이 양자거울은 미국 하버드대학과 스위스 취리히 연방공과대학 양자전자공학연구소 연구팀이 거의 동시에 독립적으로 만들었다. 두 연구팀의 관련 논문은 피지컬 리뷰 레터스나란히 실렸다.

이들 연구팀은 양자거울의 기본 물질로 몰리브덴 다이셀레나이드(MoSe2)를 사용했다. 차세대 소자로 각광받는 몰리브덴 다이셀레나이드에서 전자가 다소 특이한 행동을 보인다는 점을 이용한 것이다.

MoSe2에 광자(photon)을 입사하면 전자는 낮은 에너지 궤도에서 높은 에너지 궤도로 점프하고 그 결과 ‘전자구멍(electron hole)’이 생긴다. 전자구멍은 양성자의 영향을 받아 양전하를 띠게 된다. 그래서 전자구멍은 전자가 없어져 생긴 구멍인데도 마치 양전하를 띤 입자처럼 행동한다.

자연히 전자구멍은 반대 전하를 가진 근처의 전자에 끌려간다. 마침내 이 둘은 짝을 이루어 기묘한 양자역학적 물체인 엑시톤(exiton)을 형성한다. 전기적으로 중성인 엑시톤은 입사되는 광자와 상호작용하면서 마치 거울처럼 광자를 반사한다. 바로 엑시톤이 양자거울의 핵심 역할을 하는 것이다.

초박막 양자거울은 현실 세계에 응용 가능성이 무궁무진하다는 것이 연구진과 전문가들의 견해다. 우선 광전자공학(optoelectrnics) 분야인데, 광학칩과 광섬유네트워크 등 광자빔을 정교하게 통제해야 하는 광학소자에 곧바로 적용될 수 있다.

초박막 양자거울은 ‘거울’ 역할 이상을 할 수 있는데, 바로 초고속 연산 기능이다. 이는 초박막 양자거울은 엑시톤의 수를 조절함으로써 반사율을 매우 빨리 변화시킬 수 있는 특성을 이용하는 것이다.