나노기술 및 정책 정보

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● 울산과학기술원(UNIST) 김제형 교수 연구팀은 다결정 나노 소재인 탄화실리콘(SiC) 나노선(nanowire)을 시스템 재료로 사용해 고체 양자 시스템(큐비트 생성 시스템)에서 발생하는 포논(진동입자)의 간섭 문제와 광원 밝기 문제를 동시에 해결하는 기술을 개발

● 기존 고체 점 결함 기반 큐비트 시스템은 고체 내부의 포논과 불필요한 상호작용을 하는 간섭 문제와 낮은 광 추출 효율 때문에 정보의 신뢰성과 효율 측면에서 한계점 보유 

● 연구팀은 이를 해결하기 위하여 단결정 벌크형 소재 대신, 다결정 나노 소재인 탄화실리콘(SiC) 나노선(nanowire)을 시스템 재료로 사용

● SiC 나노선 기반 고효율 양자 광소자의 구동 원리는 나노선 소재는 면 결함(stacking fault)이 쉽게 발생되어 나노선을 따라 다양한 결정구조가 번갈아가며 형성된 다결정 구조를 가지고 있고, 이러한 다결정 시스템은 점-면 복합 결함 구조라는 독특한 양자 구조를 형성하게 되는데, 결정 내 면 결함의 존재는 응력, 내부 전기장, 결정 대칭성에 국소적인 영향을 주어 인접 점 결함의 포논과의 상호작용을 줄이는 것이 가능 

● 테스트 결과, 기존 벌크 SiC 시료 내 점 결함에서는 극저온(4k)에서만 관찰이 되는 0-포논 천이 (zero-phonon transition)를 상온에서도 구현 가능함을 실험적으로 확인하였고, 나노선 시료에서 기존 벌크 시료 대비 30배 이상의 밝기와 5배 이상의 방출속도 증진을 관찰하여, 점 결함의 양자 광학적 특성을 크게 개선하

● 이러한 점-면 복합구조는 SiC뿐만 아니라, ZnO(산화아연), GaN(질화갈륨) 등 다양한 결정구조에서도 형성이 가능하여, 기존 특성 개선이 어려웠던 고체 양자 소재의 광학적 특성을 제어할 수 있는 핵심 접근법으로 활용될 것으로 기대 

※ 용어설명

- 나노선: 나노미터(nm) 크기의 직경을 가지며, 수백 나노미터에서 수백 마이크로미터의 길이를 가지는 나노소재

- 큐비트: 양자 전산에서의 정보의 최소단위로, 0 이나 1의 상태를 가지는 비트와는 달리 두 상태의 복잡한 선형 중첩으로 이루어진 것이 특징

- 점 결함: 원자가 쌓인 고체 결정 내에서 원자가 빠지거나(vacancy), 다른 원소의 원자가 끼어든 결함

- 포논: 고체 결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 것으로 준입자처럼 행동

※ Nano Letters 게재(2021.10.22.), “Strong zero-phonon transition from point defect-stacking fault complexes in silicon carbide nanowires”

※ 한국연구재단(양자컴퓨팅기술개발사업), 정보통신기획평가원(대학ICT연구센터육성지원사업) 지원