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미국 미시간 대학이 이끄는 국제 연구팀은 단일 광자 빛으로 정보를 주고받는 새로운 경로를 발견함.

그들의 실험은 비선형성으로 알려진 효과를 사용하여 극도로 약한 빛 신호를 수정하고 감지할 수있는 가능성을 보여주며, 차세대 컴퓨팅을 발전시키기 위해 양자 시스템의 뚜렷한 변화를 활용함.

오늘날 실리콘 전자 기반 정보기술이 가열 및 에너지 소비로 인해 점점 더 제한됨에 따라 비선형 광학이 잠재적인 솔루션으로 집중적으로 연구되고 있음. 시스템의 에너지가 상승함에 따라 다음 흥분 상태, 즉 비선형성에 도달하기 위해서는 에너지가 더 많이 점프해야 하는데, 연구진은 감지 가능한 비선형 효과가 극히 낮은 전력 수준(개별 광자까지)에서 지속될 수 있는지 궁금했음.

연구진은 양자점 배열을 통해 빛과 물질을 연결하는 새로운 유형의 하이브리드 상태를 시연함. 새로운 종류의 반도체를 사용하여 달걀 상자처럼 배열된 양자점을 만들었음. 양자점은 본질적으로 전자 및 기타 낯선 것들과 같은 개별 양자입자를 분리하고 제한할 수 있는 작은 구조임. 이 점은 달걀 상자의 주머니임. 이 경우, 그들은 여기자, 전자와 "정공"으로 구성된 준입자를 가두어 둠. 반도체의 전자가 더 높은 에너지 대역으로 걷히면 정공이 나타나 일반적인 지점에 양전하가 남게 됨. 정공이 평행 에너지 대역에서 전자를 가리는 경우 두 개는 단일 개체인 엑시톤으로 간주됨.

비선형성이 거의 또는 전혀 없는 기존 장치에서 엑시톤은 자유롭게 돌아다니며 서로 거의 만나지 않고, 이러한 물질은 연구자들이 물질 특성의 변화를 알아차리지 않고 동시에 많은 동일한 엑시톤을 포함할 수 있음.

그러나 엑시톤이 양자점에 국한되면 동일한 포켓에 두 번째 동일한 엑시톤을 넣는 것이 불가능해짐. 거기에 다른 하나를 넣으려면 더 높은 에너지를 가진 엑시톤이 필요함. 즉, 그것을 만들기 위해 더 높은 에너지 광자가 필요하고, 이것은 양자 봉쇄로 알려져 있으며 비선형성의 원인임.

그러나 일반적인 퀀텀닷은 원자가 몇 개에 불과하며 사용 가능한 규모가 아니어서 연구진은 해결책으로 한 번에 비선형성에 기여하는 일련의 양자점을 만들었음.

연구진은 두 개의 반도체 조각으로 이 달걀 상자 에너지 풍경을 만들어 냈는데, 두 조각의 반도체는 원자 몇 개 두께의 단일 분자층으로 만들어졌기 때문에 2차원 물질로 간주됨. 2D 반도체는 더 큰 덩어리와는 매우 다른 양자 특성을 가지고 있는데, 하나의 플레이크는 이황화 텅스텐이고 다른 하나는 이황화 몰리브덴임. 원자 격자 사이에 약 56.5도의 각도로 놓인 두 개의 얽힌 전자 구조는 약 10개의 원자를 가로질러 주머니가 있는 더 큰 전자 격자를 생성함.

2D 반도체 내부의 양자점 배열을 빛이 있는 그룹으로 제어하기 위해 연구진은 바닥에 거울 하나를 만들고 그 위에 반도체를 놓은 다음 위에 두 번째 거울을 증착하여 공진기를 만들었음. 반도체가 광학 필드의 최대값에 있도록 두께를 매우 엄격하게 제어해야 함.

연구진은 적색 레이저 광이 공명할 수있게 해주는 미러된 "공동"에 양자 달걀 상자가 내장된 상태에서 폴라리톤이라고 하는 또 다른 양자 상태의 형성을 관찰함. 폴라리톤은 엑시톤과 캐비티의 빛의 하이브리드이며, 이것은 모든 퀀텀닷이 빛과 협력하여 상호 작용한다는 것을 확인함. 이 시스템에서 상자에 몇 개의 엑시톤을 넣으면 편광자의 에너지가 측정 가능한 변화를 일으켜 비선형성을 보여주고 양자 차단이 발생하고 있음을 보여줌.

과학자들은 이 비선형성을 사용하여 시스템에 축적된 에너지를 식별할 수 있으며, 잠재적으로 단일 광자 수준까지 잠재적으로 시스템이 초 저에너지 스위치로 유망하게 만들게 됨. 스위치는 초 저전력 컴퓨팅을 달성하는 데 필요한 장치 중 하나이며 더 복잡한 게이트에 구축할 수 있음.

폴라리톤 제어는 비전 시스템, 자연어 처리 또는 자율 로봇을 위한 신경 형태 처리에 사용될 수 있는 초 저에너지 컴퓨팅 및 정보 처리에 사용되는 미래의 통합 포토닉스를 목표로 함.

또한, 양자 차단은 양자 정보 처리를 위한 빌딩 블록인 큐비트에 유사한 시스템을 사용할 수 있음을 의미함. 하나의 순방향 경로는 어레이의 각 양자점을 개별 큐비트로 처리하는 방법을 알아내는 것이고, 또 다른 방법은 여기에서 볼 수 있는 엑시톤 봉쇄와 유사한 폴라리톤 봉쇄를 달성하는 것임. 이 버전에서 광파와 시간에 공명하는 엑시톤 배열은 큐비트가 될 것임.

이러한 방식으로 사용되는 새로운 2D 반도체는 액체 질소 또는 액체 헬륨의 극심한 추위가 아니라 양자 소자를 실온까지 끌어 올릴 수 있는 잠재력을 가지고 있음.

본 연구 성과는 Nature ("van der Waals heterostructure polaritons with moiré-induced nonlinearity")에 게재됨.