과학기술정보통신부는 박제근 교수 연구진(서울대학교 물리천문학부)과 D. 셰이(Hsieh) 교수 연구진(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질의 전기적·자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.

과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국 D. 셰이 교수 연구진의 국제 공동연구를 통해 국제학술지인 네이처(Nature)에 9일 게재됐다.

플로켓 공학 기술은 강한 주기적 구동으로 물질 내 양자 시스템을 조종하는 기술로, 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 매우 유용한 기술로 기대받고 있다. 연구진은 이 같은 플로켓 공학기술을 사용해 이번 연구를 진행했다.

연구진은 벌집 형태의 평면구조를 지닌 절연체인 삼황화린망간(MnPS3)에 강한 빛(>109 V/m)을 가해 이 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인했다.

기존에는 약한 빛의 세기(~107 V/m)를 이용한 연구만 있었는데, 이번 연구는 강한 빛의 세기(>109 V/m)를 이용해 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

연구진은 삼황화린망간의 단일 이온모형을 기반으로 한 플로켓 이론 계산을 수행했다. 그 결과, 삼황화린망간 시료에 가하는 빛의 세기와 편광을 조절해 얻은 2차 고조파(반복파형을 구성하는 기본파 이외의 파동) 발생 세기의 변화량 실험값과 플로켓 밴드 구조 계산을 통해 얻은 이론값이 일치함을 규명했다.

자성 반데르발스 물질인 삼황화린망간을 활용해, 광학적 비선형성(입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 성질)을 크게 조절할 수 있음을 실험적으로 증명했다. 자성 반데르발스 물질이란 박제근 교수가 2016년 세계 최초로 개발한 자성을 띠는 새로운 2차원 물질로, 자성을 띠면서 각 층간 상호작용이 약한 반데르발스 인력으로 결합된 구조의 물질을 말한다.

이번에 연구진이 구현한 기술은 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학 기술을 세계 최초로 구현한 것으로, 재료과학 또는 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.

특히, 기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있다. 이 경우 열손실을 크게 줄일 수 있어 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 것"이라고 의미를 밝혔다.