고려대학교 물리학과

▲ 박홍규 교수(왼쪽, 교신저자), 소재필 박사(오른쪽, 제1저자)

이과대학 물리학과 박홍규 교수 연구팀이 그래핀처럼 원자 두께로 얇은 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 새로운 단일광자원을 최초로 개발했다.

삼성미래기술육성사업 지원으로 진행된 이번 연구 결과는 차세대 양자 암호 통신의 상용화를 위한 연구로 인정받아 미국 현지시간 10월 20일 사이언스의 자매지인 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.

* 논문명 : Electrically driven strain-induced deterministic single-photon emitters in a van der Waals heterostructure Science Advances 7, eabj3176 (2021).

* 저자정보 : 소재필(제1저자/고려대), 박홍규(교신저자/고려대)

2차원 물질 인공 양자점을 이용해 차세대 양자 암호 통신을 앞당길 새로운 단일광자원 개발

양자역학에 기반을 둔 양자 암호학은 고전 암호기술의 도청 문제를 극복할 수 있는 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 단일광자원은 이러한 양자 암호기술과 양자 정보 처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자이다.

단일광자원은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 양자 소자이다. 빛의 파장이나 진폭 등으로 통신하는 고전적인 통신과는 다르게, 양자암호에서는 광자 하나의 단위로 신호를 실어 나른다. 양자를 하나만 보내 통신을 하기 때문에 양자의 일부를 수집해 도청하는 것이 원리적으로 불가능하다.

뛰어난 보안성 때문에 단일광자원을 이용한 양자 암호 통신은 파급력이 크고, 특히 군사적으로나 산업적으로 중요한 응용분야로서 급부상하고 있다.

그러나, 기존의 단일광자원은 대부분 외부 빛 에너지를 주입시키는 광펌핑 과정을 통해 동작한다는 단점이 있어서 원하는 위치에서 원하는 때에 단일광자를 방출시키는 것 또한 매우 어려운 일이다. 이러한 점들은 단일광자원의 상용화를 위해서는 꼭 해결해야만 하는 문제들이기도 하다.

박홍규 교수 연구팀은 원자 두께로 얇은 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 단일광자원을 개발하여 이러한 한계를 돌파했다.

우선, 도체의 특성을 갖는 그래핀, 부도체의 특성을 갖는 질화붕소, 반도체의 특성을 갖는 전이금속 칼코게나이드 등의 다양한 2차원 물질들을 결합시켜 원자 두께로 얇은 이종접합 발광 구조를 구현했다.

다음으로, 제작된 얇은 발광 구조를 휘어지는 폴리머 기판 위에 옮긴 후, 뾰족한 바늘 모양 나노 탐침으로 2차원 물질을 살짝 찔러서 찢어지지 않을 정도로 변형을 가하면, 찔린 위치에서만 2차원 물질의 밴드갭이 작아져서 마치 양자점(quantum dot)을 만든 것과 같은 상황이 된다.