국내연구진이 두 개의 양자점을 수평방향으로 결합시킨 인공분자를 제작, 양자제어에 활용할 수 있는 독특한 물리적 특징을 찾아냈다.

물리학자들은 주로 원자나 분자를 통해 양자물리를 연구하는데 나노기술을 활용하면 인공원자와 인공분자를 만들 수 있다. 자연에 존재하는 원자나 분자에 비해 인공원자와 인공분자는 필요한 물성을 디자인하고 제어할 수 있기 때문이다.

한국연구재단은 김광석 교수(부산대), 김종수 교수(영남대), 송진동 박사(KIST) 연구팀이 두 양자점이 결합한 인공분자의 미세 에너지 구조에서 일어나는 복잡하고 특이한 광전이 현상을 규명했다고 밝혔다. 양자점(quantum dot)이란 전자가 갖힌 나노 크기 공간을, 광전이는 서로 다른 에너지 준위의 높고 낮은 상태를 오가며 빛을 방출하거나 흡수하는 현상을 말한다.

연구팀은 두 개의 왕릉이 결합한 경주‘황남대총’을 닮은 양자점 인공분자를 나노 스케일에서 제작, 기존의 독립된 한 개의 양자점이 지니는 물리적 특성과 다른 독특한 미세에너지 준위가 나타나는 것을 발견했다. 이렇게 형성된 미세에너지 준위는 두 개 이상의 상태가 공존하는 양자물리의 특성인 양자중첩 상태로 양자정보통신에 활용될 수 있다.

원자가 결합한 분자에서 원자간 상호작용으로 개별 원자에서 나타나지 않던 에너지 준위가 추가로 형성되듯, 양자점이 결합한 인공분자 역시 양자점 상호작용의 결과로 원래 없었던 다양한 미세에너지 준위가 형성된다는 설명이다.

이는 양자점을 이루는 전자와 정공 각각의 에너지 준위와 이들 간 전기적 상호작용을 고려, 복잡한 에너지 구조를 이해한 데 따른 것이다. 인공분자 내부의 다양한 미세에너지 준위들은 양자역학적으로 중첩상태에 있어 향후 양자제어기술에 활용한 많은 가치를 지니고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 Light-Science and Applications에 6월 12일 게재됐다.