[사이언스] 양자점으로 만든 인공분자의 미세 에너지 구조 규명했다

미세 에너지 준위를 활용한 다양한 양자제어기술 응용가능

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2020/06/22 [12:21]

[사이언스] 양자점으로 만든 인공분자의 미세 에너지 구조 규명했다

미세 에너지 준위를 활용한 다양한 양자제어기술 응용가능

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2020/06/22 [12:21]

 

▲ 경주 황남대총은 바닥 위에 떨어진 두 개의 물방일이 결합된 것 같은 구조를 지니고 있다. 나노 스케일에서도 수평방향으로 양자점 두 개를 결합한 인공분자를 만들 수 있다(우측그림). 하나의 양자점에는 전자와 정공이 결합한 엑시톤(exciton) 뿐만 아니라 두 개의 엑시톤이 결합한 국소바이엑시톤(local biexciton) 에너지 준위가 존재한다. 두 개의 양자점이 결합하는 경우에는 각각의 양자점에 있는 엑시톤이 결합바이엑시톤(coupled biexciton)을 형성할 수 있고 엑시톤과 국소바이엑시톤 에너지 준위들도 다양한 미세에너지 준위로 세분화 된다. 에너지 준위 사이에는 독특한 선택규칙이 존재한다. 붉은색으로 채색된 것이 전자이고 속이 비어있는 붉은색 원이 정공이다. 출처 : 부산대학교 광메카트로닉스 공학과 교수 김광석   © 특허뉴스

 

국내연구진이 두 개의 양자점(전자를 가두어 두는 나노 크기의 작은 공간)을 수평방향으로 결합시킨 인공분자를 제작, 양자제어에 활용할 수 있는 독특한 물리적 특징을 찾아냈다.

물리학자들은 주로 원자나 분자를 통해 양자물리를 연구하는데 나노기술을 활용하면 인공원자와 인공분자를 만들 수 있다. 자연에 존재하는 원자나 분자에 비해 인공원자와 인공분자는 필요한 물성을 디자인하고 제어할 수 있기 때문이다.

 

한국연구재단은 부산대학교 김광석 교수, 영남대학교 김종수 교수, KIST 송진동 박사 연구팀이 두 양자점이 결합한 인공분자의 미세 에너지 구조에서 일어나는 복잡하고 특이한 광전이 현상을 규명했다고 밝혔다.

광전이 현상은 서로 다른 에너지 준위의 높고 낮은 상태를 오가며 빛을 방출하거나 흡수하는 현상을 말한다.

 

연구팀은 두 개의 왕릉이 결합한 경주 황남대총을 닮은 양자점 인공분자를 나노 스케일에서 만들어 내고 이 인공분자에서 기존의 독립된 한 개의 양자점이 지니는 물리적 특성과 다른 독특한 미세에너지 준위가 나타나는 것을 발견했다.

이렇게 형성된 미세에너지 준위는 서로 공존할 수 있는 중첩상태로 양자정보통신에 활용될 수 있다.

 

원자가 결합한 분자에서 원자간 상호작용으로 개별 원자에서 나타나지 않던 에너지 준위가 추가로 형성되듯, 양자점이 결합한 인공분자 역시 양자점 상호작용의 결과로 원래 없었던 다양한 미세에너지 준위가 형성된다는 설명이다.

이는 양자점을 이루는 전자와 정공 각각의 에너지 준위와 이들 간 전기적 상호작용을 고려, 복잡한 에너지 구조를 이해한 데 따른 것이다.

 

인공분자 내부의 다양한 미세에너지 준위들은 양자역학적으로 중첩상태에 있어 향후 양자제어기술에 활용한 많은 가치를 지니고 있다.

이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 Light-Science and Applications612일 게재되었다.

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