탄소제로 핵심기술로도 주목받는 차세대 광소자 기술 세계최초 구현

박제근 교수 연구진(서울대학교 물리천문학부)과 D. Hsieh 교수 연구진(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질의 전기적․자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계최초로 구현했다고 과기정통부가 밝혔다.

과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국 D. Hsieh 교수 연구진의 국제 공동연구를 통해 국제학술지인 네이처(Nature)에 12월 9일 게재되었다.

연구진은 벌집 형태의 평면구조를 지닌 절연체인 삼황화린망간(MnPS3)에 강한 빛(>109 V/m)을 가하여 이 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인하고, 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 규명했다.

기존 연구에서는 강한 빛으로 인한 발열이나 손상 우려 때문에 약한 빛(~107 V/m)만을 이용하였는데, 이번 연구는 강한 빛(>109 V/m)을 이용하여 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

이번에 연구진이 구현한 기술은 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학(Floquet engineering) 기술을 세계 최초로 구현한 것으로, 재료과학 또는 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.

참고로 플로켓 공학 기술(Floquet engineering)이란 강한 주기적 구동(periodic driving)으로 물질 내의 양자 시스템을 조종하는 기술이다. 세계 물리학계에서 많은 이론적 제안과 연구가 이루어졌지만, 아직 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.

특히, 이 기술은 기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있으며, 이 경우 열손실을 크게 줄이므로 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있어 우리 사회가 저탄소사회로 가는 데 중요한 핵심기술로도 주목받고 있다.

박제근 교수는 “이번 연구성과는 플로켓 공학 기술을 2차원 양자물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것이다”라고 의미를 밝혔다.