[대학저널 오혜민 기자] 극저온에서만 관찰 가능했던 폴라리톤(빛과 전자의 두 성질을 가진 입자의 명칭) 레이저 빛을 상온에서도 볼 수 있게 하는 레이저 소자 기술이 개발돼 관련 연구 환경 개선과 다양한 연구에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
DGIST(총장 국양) 신물질과학전공 조창희 교수팀은 상온에서 작동하는 나노 크기의 폴라리톤 레이저를 개발했다. 반도체 내 생성되는 엑시톤(빛에 의해 형성된 전자와 정공이 묶여 있는 준입자)이 빛과 강하게 작용하면 ‘엑시톤-폴라리톤’ 양자상태가 생성되는데 빛과 엑시톤이 갖는 장점들을 동시에 갖는다. 이를 이용해 레이저 빛을 생성하는 기술인 ‘플라리톤 레이저 소자 기술’은 초저전력 구동이 가능해 차세대 광원 기술로 주목받고 있다. 하지만 극저온에서만 안정적인 엑시톤을 상온에서 제어하기에 어려움이 있어 개발이 제한적이었다.
조창희 교수팀은 이러한 한계를 극복하는데 ‘양자우물’을 활용했다. 양자우물(Quantum Well)은 전자가 쉽게 빠지는 공간이라는 의미에서 지어진 이름이다. 연구를 주도한 신물질과학전공 리서치 펠로우 강장원 박사는 나노구조 반도체 옆면에 양자우물을 만들어 극저온에서만 안정적이던 엑시톤을 상온에서도 안정적으로 유지시키는데 성공했다.
특히 양자우물 구조는 나노구조 반도체 내 엑시톤과 빛의 결합 세기를 기존보다 높여 더 효율적이고 안정적인 엑시톤-폴라리톤 양자상태 형성에도 기여를 했다. 이는 조창희 교수팀이 상온에서 안정적이며 기존 나노레이저 구동전력의 10분의 1 수준의 전력만으로 구동하는 폴라리톤 나노레이저를 개발하는데 밑거름이 됐다.
DGIST 신물질과학전공 조창희 교수는 “이번 개발하게 된 나노구조 반도체는 상온에서 엑시톤의 특성유지가 가능해 이를 이용한 상온 작동이 가능한 폴라리톤 나노레이저까지 구현하게 됐다”며 “무엇보다도 엑시톤-폴라리톤과 관련된 물리적 현상을 상온에서도 연구할 수 있는 연구환경 구축에 기여할 수 있어 기쁘다”고 전했다.
한편 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 강장원 박사가 제1저자로 참여했으며 GIST 박성주 교수, 미국 펜실베니아대 아가왈(R. Agarwal) 교수가 공동연구자로 참여했으며 사이언스(Science)의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 저널 온라인판에 게재됐다.
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