기존 반도체 소재 대체하는 차세대 광소자 기술, 세계 최초 구현

이상우 기자 2021-12-09 08:10

차세대 광소자 기술 '양자 플로켓 공학' 세계 최초로 구현

반도체 적용 시 열손실 줄이고 에너지 소모 문제 해결 전망

왼쪽부터 박제근 서울대학교 물리천문학부 교수(공동저자), 이성민 서울대학교 물리학과 연구원(제4저자)[사진=과학기술정보통신부]

국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 차세대 광소자 기술을 구현했다. 기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있으며, 이 경우 열손실을 줄이고 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 전망이다. 이에 따라 우리 사회가 저탄소사회로 가는 데 중요한 핵심기술로도 주목받고 있다.

과학기술정보통신부(과기정통부)는 박제근 교수 연구진(서울대학교 물리천문학부)과 D. Hsieh 교수 연구진(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질의 전기적·자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계최초로 구현했다고 밝혔다.

과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국 D. Hsieh 교수 연구진의 국제 공동연구를 통해 국제학술지 네이처에 12월 9일 게재됐다.

연구진은 벌집 형태의 평면구조를 지닌 절연체 '삼황화린망간(MnPS3)'에 강한 빛(109V/m 이상)을 가해 이 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인하고, 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 규명했다. 기존 연구에서는 강한 전기장으로 인한 발열이나 손상 우려 때문에 약한 빛(107V/m 이하)만을 이용했는데, 이번 연구는 기존보다 강한 이용해 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과다.

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이번에 연구진이 구현한 기술은 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학(Floquet engineering) 기술을 세계 최초로 구현한 것으로, 재료과학 또는 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.

박제근 교수는 "이번 연구성과는 플로켓 공학 기술을 2차원 양자물질에서 구현한 첫 사례"라며 "빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것"이라고 의미를 밝혔다.