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상온서 안정, 전력 10분의 1…차세대 광원 폴라리톤 레이저소자 개발

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상온서 안정, 전력 10분의 1…차세대 광원 폴라리톤 레이저소자 개발

2019.05.08 13:37
양자우물을 가진 반도체 나노막대의 구조(왼쪽)와 조창희 교수팀이 개발한 폴라리톤 나노레이저(오른쪽). DGIST 제공
양자우물을 가진 반도체 나노막대의 구조(왼쪽)와 조창희 교수팀이 개발한 폴라리톤 나노레이저(오른쪽). DGIST 제공

국내 연구팀이 극저온에서만 관찰되던 폴라리톤(빛과 전자의 성질을 모두 가진 입자) 레이저 빛을 상온에서도 쏘는 소자 기술을 개발했다.    

 

조창희 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 교수팀은 상온에서 작동하는 나노 크기의 폴라리톤 레이저를 개발했다고 8일 밝혔다.

 

반도체에서는 전자와 정공이 묶여 있는 준입자(엑시톤)가 발생하는데, 이 엑시톤이 빛과 강하게 작용하면서 빛과 엑시톤의 장점을 모두 가진 '엑시톤-폴라리톤' 양자상태가 된다. 이 상태를 이용하면 레이저 빛을 생성하는 '폴라리톤 레이저 소자'를 만들 수 있다. 초저전력에서도 구동이 가능해 차세대 광원 기술로 주목받고 있다. 하지만 엑시톤이 극저온에서만 안정적이기 때문에 상온에서 제어하기 어렵다는 한계가 있었다. 

 

조 교수팀은 전자가 쉽게 빠지는 공간인 '양자우물'을 이용해 이 한계를 극복하는 방법을 찾았다. 나노구조 반도체 옆면에 양자우물 구조를 만들어 엑시톤을 상온에서도 안정적으로 유지할 수 있었다. 양자우물 구조는 엑시톤과 빛이 결합하는 세기를 기존보다 높여 엑시톤-폴라리톤 양자상태도 훨씬 효율적이고 안정적으로 발생시켰다.  

 

조 교수는 "상온에서도 안정적이며, 기존 나노레이저에 필요한 전력의 10분의 1 정도로도 구동할 수 있는 폴라리톤 나노 레이저를 개발했다"며 "무엇보다도 엑시톤-폴라리톤 양자상태과 관련된 물리적 현상을 상온에서도 연구할 수 있는 바탕을 마련하게 돼 기쁘다"고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스' 온라인판 4월 19일자에 발표했다.

 

상온에서 구동 가능한 폴라리톤 레이저 기술을 개발한 조창희 교수(왼쪽)와 강장원 리서치펠로우(오른쪽). DGIST 제공
상온에서 구동 가능한 폴라리톤 레이저 기술을 개발한 조창희 교수(왼쪽)와 강장원 리서치펠로우(오른쪽). DGIST 제공

 

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