[박경덕 교수 연구실] 2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공

caption: 단일층 WSe2의 나노버블구조에서 관찰된 엑시톤과 암흑엑시톤의 나노이미징 결과. (a) 표면형상, (b) 변형률 공간분포, (c) 엑시톤 공간분포, (d) 암흑엑시톤 공간분포. 파란색 점선 영역(e)과 빨간색 점선 영역(f)의 엑시톤과 암흑엑시톤의 PL 세기 및 변형률 변화.

2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공

암흑엑시톤은 발광 지속시간과 결맞음 시간이 일반적인 엑시톤에 비해 약 1000 배 정도 길기 때문에 양자컴퓨터와 양자정보 처리의 기본 연산단위인 양자비트를 안정적으로 구현할 수 있는 후보군으로 주목받고 있다. 하지만 암흑엑시톤은 독특한 스핀구조에 의해 발광이 억제되어 있기 때문에 현재까지의 기술로는 주로 극저온에서만 발광 현상이 관찰됐으며 이는 양자비트를 비롯한 양자 광집적회로 등의 다양한 양자 소자로의 응용 가능성을 크게 제한하였다. 본 연구에서는 금 나노구조를 이용한 초고효율의 나노광학 안테나 기술을 개발하여 2차원 반도체 물질의 버블구조에서 strain에 의한 암흑엑시톤의 상온 발광 현상이 관찰됨을 증명하였다. 또한 나노광학 안테나 탐침의 압력 제어를 통해 암흑엑시톤의 발광특성을 약 15 nm의 공간영역에서 스위칭과 변조하는 광양자소자를 제시하였다. 그림에서 제시된 바와 같이 암흑엑시톤의 상온 발광 현상은 strain이 가해진 나노버블구조에서 주로 관찰되는데 그 이유는 strain이 가해진 크리스탈의 경우 편평한 상태에 있는 크리스탈에 비해 스핀플립이 발생할 확률이 높기 때문으로 생각된다. 버블에서 발생하는 암흑엑시톤은 compressive strain와 tensile strain 모두에서 발생하므로 이와 같은 해석은 타당한 것으로 생각되며, 탐침으로 버블을 누를 경우 암흑엑시톤의 발광 세기가 달라지므로 이를 암흑엑시톤 상온 발광 제어 다비이스로 활용 가능하다. 본 연구는 물리학과 박경덕 교수와 University of Colorado at Boulder의 Markus Raschke 교수팀과의 공동연구를 통해 진행되었으며, 국제학술지 Nano Letters에 2023년 1월 게재되었다.