[김윤호 교수] 유도 방출 없는 이광자 유도 결맞음 현상 입증

[김윤호 교수] 유도 방출 없는 이광자 유도 결맞음 현상 입증 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’은 두 경로의 확률 진폭이 구별되지 않을 때 나타나는 독특한 양자 간섭 현상으로, 검출되지 않는 광자를 활용한 양자 이미징·양자 분광 등의 새로운 연구 방식에 중요한 기여를 해왔다. 그러나 기존 연구는 모두 단일광자 영역, 즉 1차 상관함수 측정에 국한되어 있어, 이 현상이 본질적으로 양자적인지를 직접적으로 규명하는 데 한계가 있었다. 포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 이러한 한계를 넘어, 기존에 단일광자 영역에서만 확인되었던 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상을 이광자 상태 영역으로 확장한 새로운 양자 간섭 효과를 세계 최초로 실험적으로 입증하였다 [Im et al., Sci. Adv. 11, eadx2038 (2025)]. 연구팀은 자발적 매개변수 하향변환을 통해 이광자 Fock 상태를 생성하고, 이를 기반으로 유도 방출 없는이광자 유도 결맞음효과를 구현했으며, 단일광자 검출 결과와 이광자 동시검출 결과를 비교함으로써 본 효과가 명확한 이광자 양자 간섭임을 확인하였다. 이를 통해 그동안 직접적으로 접근할 수 없었던 이 현상의 양자적 성격을 최초로 검증하는 데 성공하였다. 또한 실험에서는 측정되지 않은 1016 nm 광자에 위상 φ를 인가할 경우, 검출된 632 nm 광자에서 간섭 변조가 2φ 항으로 나타나는 특성을 관측하였다. 이는 다광자 영역에서 나타나는 특유의 위상 반응으로, 향후 양자 위상계측 기술로의 응용 가능성을 시사한다. 이번 연구는 결맞음이 없는 양자광원 사이에서도 양자광학적 상호작용을 통해 결맞음이 유도될 수 있음을 실험적으로 보여줌으로써, 다광자 양자 간섭, 양자 계측, 그리고 얽힘 상태 생성 등 다양한 양자정보처리 기술로의 확장 가능성을 열었다. 특히 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상이 다광자 양자광학 영역에서도 성립하며 그 양자적 성격이 실험적으로 검증될 수 있음을 세계 최초로 입증했다는 점에서 중요한 의의를 지닌다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx2038

[이길호 교수] 전자 에너지 상태를 자유롭게 제어하는 양자 소자 개발

물리 이길호 교수팀, 직진만 하던 전자, 이제는 삼거리에서 논다 [POSTECH·KAIST·日NIMS, 세계 최초로 전자 에너지 상태를 자유롭게 제어하는 양자 소자 개발] 그동안 직진만 하던 전자가 교차로에서 방향을 바꾸고 다양한 길을 선택할 수 있게 됐다. 최근 물리학과 이길호 교수 연구팀, KAIST(한국과학기술원) 조길영 교수 연구팀, 일본 국립재료과학연구소(NIMS)가 그래핀을 이용해 전자의 에너지 상태를 자유롭게 조절할 수 있는 새로운 양자 소자를 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스( Science Advances)’에 최근 게재됐다. 우리가 쓰는 스마트폰이나 컴퓨터 속 전자는 회로라는 길을 따라 질서정연하게 움직인다. 하지만 양자 세계에서는 이야기가 다르다. 전자는 마치 동시에 여러 길을 가는 것처럼 행동하며, 이러한 양자의 특성 활용하면 기존 컴퓨터보다 훨씬 강력한 양자컴퓨터를 만들 수 있다. 이번 연구의 핵심은 '3단자 조셉슨 접합(Josephson junction)'이라는 특별한 구조다. 조셉슨 접합은 두 개의 초전도체 사이에 얇은 전도성 재료를 끼워 만든 양자 소자로 연구팀은 세 개의 초전도체를 삼각형 모양으로 그래핀 위에 배치해 전자가 다양한 방향으로 자유롭게 움직일 수 있도록 만들었다. 기존의 구조가 일직선 고속도로였다면, 이번에는 사방으로 뻗은 교차로가 새로 열린 셈이다. 연구팀은 전극 사이에 흐르는 양자 위상차를 정밀하게 조절해, 특정 지점에서 전자의 성질이 완전히 바뀌는 ‘위상 전이(topological transition)’ 현상도 관측했다. 마치 물이 얼음이나 수증기로 바뀌는 것처럼, 전자 행동이 근본적으로 달라지는 변화다. 이 현상을 확인하기 위해 연구팀은 마이크로전자볼트(μeV) 정밀도를 가진 장비를 활용해 실시간 관측에도 성공했다. 가장 주목할 점은, 자연에 없는 전자의 에너지 구조를 실험실에서 설계했다는 것이다. 마치 건축가가 아파트 층을 원하는 대로 정하듯, 전자가 머무를 수 있는 에너지 수준도 새롭게 디자인할 수 있게 된 것이다. 이 기술이 전자의 움직임을 정밀하게 제어하는 데 활용되면, 더욱 안정적이고 성능이 뛰어난 양자컴퓨터 개발로 이어질 수 있다. 이길호 교수는 “이번 연구는 미래 양자 기술의 중요한 전환점이 될 것”이라며, “특히 오류에 강한 양자컴퓨터 구현의 핵심으로 꼽히는 ‘마요라나 준입자(Majorana quasiparticles)*1 ’를 실제로 만들 수 있는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP), 기초과학연구원, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI) 및 일본 문부과학성 WPI 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ads0342

[박경덕 교수] 바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선

바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선 (좌) 2차원 반도체의 대면적 발광효율 증강 모식도 (우) 바비넷 원리와 표면격자공명 현상을 설명한 그림 차세대 전자소재로 주목받는 2차원 반도체는 두께가 불과 수 원자층이기 때문에 유연하면서도 뛰어난 전기적·광학적 특성을 가진다. 이 때문에 TSMC 등 글로벌기업들이 반도체칩 양산을 위한 차세대소재로 이미 상용화 연구를 진행하고 있다. 하지만 단위부피당 발광효율이 매우 높은 것에 비하여, 수 원자층 두께에서 발생하는 빛의 절대적인 세기는 여전히 낮기 때문에 디스플레이 소재로의 활용을 위해서는 발광효율 향상이 반드시 필요하다. 박경덕 교수 연구팀은 바비넷 원리(Babinet's principle)와 표면격자공명(surface lattice resonance; SLR)이 발생하는 대면적 금 나노광학안테나 구조를 설계 및 제작하고, 이 위에 2차원반도체를 결합하여 발광효율을 1,600배 증강시키는 소자를 구현하는데 성공했다. 기존의 금속 구조 안테나를 이용한 2차원 반도체 밝기 증강 기술은 두 가지 핵심 문제가 있었다. 첫째, 금속과 반도체의 접촉면에서 에너지 손실이 크다는 점. 둘째, 국소적인 영역의 밝기만 증강되어 대면적 디스플레이 응용에는 적합하지 않다는 점. 연구팀은 이를 해결하기 위해 바비넷 원리를 적용하여 속이 빈 금속 안테나 구조를 설계하였다. 이를 통해 금속과 반도체의 접촉면을 최소화하고 높은 밝기 증강을 유도할 수 있었다. 뿐만 아니라, 금속 안테나를 평면상에 특정 주기로 배열하면 표면격자공명 현상을 유도할 수 있다. 표면격자공명은 단순히 여러 개별 안테나 효과의 합이 아니라, 멀리 떨어진 안테나끼리 서로 연결되어 공명현상을 일으켜 더욱 증폭된 빛을 만들어 낼 수 있다. 이는 마치 여러 명이 동시에 트램펄린 위에서 리듬을 맞춰 점프할 때 한순간에 더 높은 도약이 가능해지는 것과 같은 원리로 설명할 수 있다. 이 효과를 이용하여 기존보다 적은 영역의 전원만으로 더 넓은 면적을 밝힐 수 있으며 발광 휘도도 기존보다 1600배나 증강할 수 있다. 논문의 제1저자인 POSTECH 구연정씨는 "이번 연구는 2차원반도체가 직면한 발광소재로써의 한계를 극복하고, 차세대 디스플레이와 광반도체 기술 상용화에 중요한 돌파구를 제시할 수 있을 것"이라고 전했다. 이 연구는 광학분야 국제학술지 Light: Science & Applications에 최근 게재됐으며, 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다. 논문명: High momentum two-dimensional propagation of emitted photoluminescence coupled with surface lattice resonance 발표일: 2025년 6월 20일 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01873-3