카이랄 나노구조를 이용한 원형 편광의 새로운 단일광자원 구현
박홍규 교수 연구팀은 남기태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원형 편광된 단일 광자를 발생시키는 새로운 단일 광자 발생기를 개발했다. 원자 두께만큼 얇은 2차원 물질인 텅스텐 다이셀레나이드 (WSe2) 단일층과 카이랄 금 나노입자를 결합해 제작된 나노 크기의 단일 광자 발생기에서 선형 편광의 단일 광자가 원형 편광으로 바뀌는 것을 성공적으로 관측했다. 단일 광자가 카이랄 금 나노입자와 어떻게 상호작용하는지에 따라 국소 플라즈몬 공명 현상이 변화하고, 우원 편광 혹은 좌원 편광의 단일 광자가 발생함을 실험과 이론을 통해 확인하였다. 또한, 나노입자를 배열로 제작하고 그 위에 2차원 물질을 전사하여 단일 광자 발생기의 배열 또한 성공적으로 구현했다. 별도의 외부자기장이나 커다란 메타물질 없이 쉬운 방법으로 여러 단일 광자 발생기를 동시에 작동시킴으로써 단일 광자 발생기의 응용 가능성을 더욱 확대할 수 있다. 연구결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6) 2024년 5월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
- 논문명: Spin angular momentum-encoded single-photon emitters in a chiral nanoparticle-coupled WSe2 monolayer
- 저자 정보 : Soon-Jae Lee, Jae-Pil So, Ryeong Myeong Kim, Kyoung-Ho Kim, Hyun-Ho Rha, Gunwoo Na, Jeong Hyun Han, Kwang-Yong Jeong, Ki Tae Nam, and Hong-Gyu Park
박홍규 교수 남기태 교수 이순재 박사 소재필 박사
[그림 1] 카이랄 나노 입자를 활용한 단일광자원 개요
WSe2 단일층과 카이랄 나노입자를 결합하여 생기는 스트레인에 의한 원편광 단일광자원을 성공적으로 구현하였다. 샘플의 모식도(A)와 전자현미경 사진 (B). 4 K의 저온에서 738 nm 에서 단일광자원 스펙트럼과 펌프 파워에 따른 포화곡선과 (C), 단일 광자원임을 증명하는 2차 상관관계 함수 (D)
[그림 2] 카이랄나노입자와 결합된 원편광 단일광자원 배열
카이랄 나노입자를 PDMS 스탬프를 활용하여 규칙적으로 대면적으로 배치가 가능하다(A).
나노입자 플랫폼 위에 WSe2 단일층을 전사하면 입자가 위치한 곳에서 75% 이상의 높은 수율로 스트레인에 의한 밝은 단일광자원 배열을 만들 수 있다(B). 4 K에서 카이랄 나노입자와 결합한 부분은 모두 강한 단일광자원 특성을 보인다 (C), (D). 이는 단일광자원 배열을 원하는 형태로 디자인하고, 다양한 양자 플랫폼에 적용할 수 있으리라 기대한다.
[그림 3] 원편광 단일광자원의 편광 분석
스트레인에 의한 WSe2 단일층의 단일광자원이 카이랄 나노입자와 결합될 때, 원형 편광 될 수 있음을 성공적으로 측정하였다. 일반적인 스트레인에 의한 단일광자원의 경우 선형편광 되어 있지만, 스토크스 변수 측정을 통해 원편광 성분이 강하게 발생하는 것을 증명하였다. WSe2 단일층과 카이랄 나노입자가 결합할 때 걸리는 strain의 방향, 위치 등에 따라 좌원 편광, 우원 편광의 특성을 보여준다. 이번 연구를 통해 원편광도를 0.793까지 관측 하였다.
[그림 4] 금 나노큐브와 결합된 단일광자원 특성과 통계 데이터
비교를 위한 금 나노큐브와 결합된 단일 광자원의 이미지와 (A) 편광특성 (B) 및 편광 타원과 스토크스 계수를 (C) 분석하였다. 여러 샘플에 대해서 측정을 진행한 결과 금 나노큐브의 경우는 대부분의 스트레인에 의한 단일광자원과 마찬가지로 선형편광 특성을 보인다. 반면 카이랄 나노입자와 결합된 단일 광자원의 경우 좌원편광, 우원편광 등 다양한 편광 특성을 보여준다.
[그림 5] 원편광 특성 발진의 원리 분석
카이랄 금 나노입자와 다이폴 광원이 결합하는 상황을 상정한 시뮬레이션을 수행했다(A). 나노입자 표면에서 위상 지연이 발생한 유도전류가 존재하며, 이는 입자의 표면에 수직한 자기장 성분으로 나타난다(B). 다이폴의 진동 방향에 따라 위상 지연된 전류가 변하게 되며, 다른 원편광 특성을 보여준다(C). 다이폴 진동 방향에 따라 좌원편광, 우원편광 성분이 생길 수 있고, 각각의 편광 타원과 스토크스 변수를 계산했다 (C), (D).