[이대수 교수, 이길호 교수] Synergistic polar states by selective atomic gradients

[이대수, 이길호 교수] 선택적 원자 기울기를 통한 다기능성 극성 상태 구현 같은 원자, 다른 순서로 재료의 한계를 넘다. 원자층 ‘그라데이션’으로 기존 물성은 유지하고 새로운 기능은 더하다. POSTECH 물리학과 이대수·이길호 교수 연구팀은 신소재공학과 최시영 교수, 숭실대학교 박세영 교수 연구팀과 공동으로, 페로브스카이트 산화물의 A-자리 원자 조성을 원자층마다 정밀하게 변화시키는 ‘선택적 원자 구배(selective atomic gradient)’를 이용해 기존 물성을 유지하면서 강한 극성과 다양한 기능성을 동시에 구현하는 새로운 소재 설계 전략을 개발했다. 이번 연구는 국제학술지 Science에 게재됐다. (DOI: 10.1126/science.adv0235) 극성은 압전, 초전, 비선형 광학 등 다양한 기능성의 기반이지만 금속성이나 특정 결정구조와 쉽게 공존하지 않는다. 연구팀은 전자적 성질을 주로 결정하는 B-자리 원자는 유지하고, 격자 크기에 영향을 주는 A-자리 원자의 비율만 두께 방향으로 변화시켜 큰 변형 구배(strain gradient)를 형성했다. 이 변형 구매에 의해 발생하는 변전성(flexoelectricity)을 이용해 본래 중심대칭인 물질에도 강한 극성을 유도했으며, 원자 구배의 방향을 반대로 하면 극성의 방향 역시 반전됨을 확인했다. 이 전략을 금속성 (Sr,Ca)IrO₃에 적용하자 금속성을 유지하면서도 전류 방향에 따라 저항이 달라지는 비가역 수송 특성이 나타났으며, 원자 구배의 방향을 뒤집으면 전기적 방향성도 함께 반전됐다. 또한, 약 5.1 nm 두께의 (Ba,Ca)TiO₃ 초박막에서는 높은 유전율과 낮은 유전손실, 낮은 누설전류를 동시에 구현했으며, 약 0.09 nm의 등가산화막두께(EOT)와 비슷한 두께의 BaTiO₃보다 약 100배 높은 초전 특성을 확보했다. 이번 연구는 극성을 기존 물성과 단순히 공존시키는 데 그치지 않고, 극성과 기존 물성의 결합을 통해 새로운 기능성이 발현되거나 향상될 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 또한 “어떤 원소를 넣을 것인가”뿐 아니라 “원자를 어떤 순서로 쌓을 것인가”를 새로운 소재 설계 변수로 제시함으로써, 향후 자성체·초전도체 등 다양한 양자물질과 다기능성 소재로 확장될 수 있는 보편적 설계 전략을 제시했다. 이대수 교수는 “새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다”며, “앞으로 이 방법을 자성체와 초전도체 등 다양한 물질로 확장해 새로운 양자·위상 물성을 구현하고, 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 발전시키는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 삼성종합기술원(SAIT), 과학기술정보통신부·한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. ＊공동 제1저자: 김상현(물리, 통합), 한기정(물리, 통합), 황수윤(신소재, 박사), 노가희(신소재, 박사) ＊교신저자: 이대수(물리), 이길호(물리), 최시영(신소재), 박세영(숭실대 물리) ＊선택적 원자 기울기 기반 소재·소자 관련 지식재산 확보

[박경덕 교수] 초고휘도 상온 단일양자광원 구현 성공

초고휘도 상온 단일양자광원 구현 성공 탐침을 이용해 초고휘도 상온 단일양자광원을 구현한 그림 영화 속 첩보원들이 절대 도청당하지 않는 회선으로 비밀을 주고받는 장면이 있다. 그 꿈같은 기술의 열쇠가 바로 '빛 알갱이'다. 빛을 한 번에 하나씩 보내면 누군가 몰래 엿듣는 순간 흔적이 남아, 원리상 도청이 불가능하다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 이 빛 알갱이를 상온에서, 그것도 원하는 대로 밝기와 성질까지 조절하는 길을 열었다. 빛의 최소 단위인 ‘광자’를 한 번에 딱 하나씩만 내보내는 '단일광자 방출체'는 양자암호통신과 양자컴퓨터의 핵심 광원이다. 문제는 기존 광원 대부분이 영하 200도가 넘는 극저온에서만 잘 작동한다는 점이다. 그 대안으로 주목받은 것이 '육방정 질화붕소(hBN)'라는 2차원 물질 속 원자 결함이다. 이 결함은 상온에서 안정적으로 빛 알갱이를 내보내지만, 밝기가 너무 어두웠다. 무엇보다 결함이 생기는 위치와 빛의 색도 제각각이어서 광원으로 활용하기 어려웠다. 지금까지는 빛을 가둬 증폭하는 장치인 '광공진기'를 기판 위에 고정해 두고, 우연히 그 조건에 맞는 결함이 나타나기만을 기다려야 했다. 자물쇠는 정해져 있는데 맞는 열쇠가 저절로 나타나길 바라는 셈이었다. 연구팀은 원자간력현미경의 뾰족한 금 탐침 끝을 초소형 광공진기로 활용했다. 원하는 결함 위로 탐침을 옮겨 가까이 대면, 결함에서 나오는 빛을 선택적으로 키울 수 있도록 한 것이다. 실제로 탐침을 가까이 가져갈수록 빛이 단계적으로 밝아졌으며, 가장 가까이 붙였을 때는 밝기가 10배 이상 증가했다. 탐침을 떼면 원래 밝기로 돌아와 밝기를 자유롭게 조절할 수도 있었다. 광자가 나오는 속도 역시 높였다. hBN 결함은 한 번 빛을 낸 뒤 다음 광자를 내보내기까지 시간이 필요해 강한 레이저를 사용해도 밝기가 일정 수준 이상 높아지기 어려웠다. 연구팀은 광공진기와 결함을 결합해 광자 방출 속도를 높이고, 강한 레이저에서도 밝기가 계속 증가하는 고출력 동작을 구현했다. 특히 탐침 색을 조절하면 같은 결함에서도 광자가 나오는 방식까지 바꿀 수 있었다. 탐침의 색을 결함이 내는 빛에 맞추면 광자가 하나씩 나오는 단일광자 순도가 높아졌고, 레이저 색에 맞추면 광자가 여러 개씩 뭉쳐 나오는 특성이 나타났다. 하나의 탐침으로 결함의 위치뿐 아니라 광원 발광 특성까지 맞춤형으로 조절할 수 있음을 보인 것이다. 이번 연구의 의미는 상온에서 작동하면서도 필요에 따라 발광 특성을 조절할 수 있는 양자 광원을 구현했다는 데 있다. 별도의 극저온 냉각 장치 없이 원하는 위치의 결함을 선택하고, 밝기와 광자 방출 특성까지 조절할 수 있어 양자암호통신과 양자컴퓨터 등에 활용되는 상온 양자 광원의 맞춤형 설계 가능성을 높였다. POSTECH 이형우 박사와 문태영 연구원은 "원하는 결함을 선택해 발광 특성을 맞춤형으로 조절할 수 있다는 점이 이번 연구의 핵심"이라며 "고정된 공진기로 어려웠던 결함 맞춤 제어를 구현했다"라고 전했다. 박경덕 교수는 “이번 연구에서 개발한 초고휘도 상온 단일양자광원은 3G 이동통신급의 고속 양자암호통신이 가능한 세계 최고 수준의 성능을 구현했다”며 “관련 특허 4건을 출원하고 안정적으로 동작하는 시제품까지 구현함으로써 실제 상용화를 위한 기술적 기반도 확보했다”고 연구의 의미를 설명했다. 한편, 이번 연구는 호주 시드니공대(UTS) 이고르 아하로노비치(Igor Aharonovich) 교수, 밀로스 토스(Milos Toth) 교수와의 공동연구를 통해 수행되었으며, POSTECH 오현민, 박기정 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 과학기술정보통신부 · 한국연구재단 한계도전 R&D 프로젝트 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 표지 논문으로 선정됐다.

[신희득 교수] Parallel multi-target detection for quantum LiDAR (양자 LiDAR를 위한 다중 표적 병렬 탐지)

Parallel multi-target detection for quantum LiDAR (양자 LiDAR를 위한 다중 표적 병렬 탐지) Prof. Heedeuk Shin’s research team has demonstrated a quantum LiDAR technique that can read the distance and direction of multiple targets in parallel, even when background noise is 1,000 times stronger than the target signal. The work turns the natural wavelength randomness of quantum photons into a beam-steering resource, opening a path toward low-light LiDAR that does not rely on point-by-point mechanical scanning. The study, titled “Parallel multi-target detection for quantum LiDAR,” has been published in Laser & Photonics Reviews. Visualization of the measured distances and directions of multiple targets using parallel quantum LiDAR in a low-light environment with background noise 1,000 times stronger than the signal.