Deterministic, dynamically reconfigurable single quantum emitters

 enabled by tip-enhanced nano-optical trapping spectroscopy

단일양자광원은 양자통신, 양자컴퓨팅, 양자센싱 등 차세대 양자기술의 핵심 구성요소로 주목받고 있다. 특히 단일양자점은 상온에서도 작동 가능한 밝고 안정적인 양자광원으로 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 나노미터 크기의 단일양자입자는 매우 작고 외부 환경에 민감해 원하는 위치에 안정적으로 배치하고, 밝기·에너지·편광·양자결합 상태 등 광학적 특성을 실시간으로 제어하는 데 한계가 있었다. 기존 방식은 대부분 기판 위에 우연히 놓인 양자광원을 찾아 관찰하는 수준에 머물러, 단일양자광원을 능동적으로 포획하고 재구성하는 새로운 플랫폼이 필요했다.

박경덕 교수 연구팀은 상온 액체 환경에서 단일양자광원을 초집속 나노빛으로 포획하고, 그 특성까지 실시간으로 제어할 수 있는 ‘탐침증강 나노광포획 분광법(Tip-enhanced nano-optical trapping, TENT)’을 개발했다. 연구팀은 액체 속에 자유롭게 떠다니는 단일양자점을 금 탐침 끝의 초집속 나노빛으로 끌어당겨 안정적으로 포획했으며, 빛이 만드는 돌림힘에 의해 양자점이 빛과 가장 강하게 상호작용하는 방향으로 스스로 정렬됨을 확인했다. 또한 탐침과 기판 사이의 나노미터 간격을 조절해 빛이 갇히는 공간의 크기를 변화시키고, 이를 통해 단일양자광의 밝기, 에너지, 양자결합 세기를 능동적으로 제어하는 데 성공했다. 더 나아가 탐침이 가하는 초고압력을 이용해 추가적인 양자상태 조절 가능성도 입증했다.

이번 연구는 단일양자광원을 단순히 ‘찾아서 관찰하는’ 기존 방식에서 벗어나, 빛으로 불러오고 붙잡아 필요한 특성으로 바꿔 쓰는 새로운 양자나노광학 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. TENT 플랫폼은 포획·센싱·제어·분광 기능을 하나의 장치에 통합한 복합현미경으로, 향후 양자통신용 단일광자원, 양자 스위치 및 변조기, 나노양자센싱, 차세대 양자광소자 개발에 활용될 수 있다. 또한 액체 환경에서 작동한다는 장점을 바탕으로 바이러스, 단백질, 나노입자, 미세플라스틱 등 극미량 물질을 단일입자 수준에서 분석하는 초고감도 바이오·환경 센싱 기술로도 확장될 것으로 기대된다.