액체 속을 떠다니는 나노미터 크기의 양자광원을 빛으로 붙잡아 원하는 방향으로 정렬시키고 밝기와 에너지까지 실시간으로 바꿀 수 있는 기술을 국내 연구진들이 개발했다.

포항공대(POSTECH)는 박경덕 물리학과·반도체공학과 교수와 구연정 물리학과 박사 연구팀이 상온의 액체 환경에서 단일양자광원을 포획하고 광학적 특성을 제어하는 양자나노분광 플랫폼을 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀에 따르면, 단일양자점은 상온에서도 양자광원으로 활용할 수 있는 나노미터 크기의 입자다. 양자통신과 양자컴퓨팅, 양자센싱 등에 쓰일 수 있지만 크기가 매우 작고 외부 환경에 민감해 원하는 위치에 안정적으로 놓거나 광학적 특성을 조절하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘탐침증강 나노광포획 분광법’이라는 기술을 개발했다. 액체 속에 단일양자점이 자유롭게 떠다니도록 한 뒤 금으로 만든 탐침 끝에 빛을 나노미터 크기로 집중시키는 방식이다. 탐침 끝에 모인 빛이 양자점을 끌어당겨 안정적으로 붙잡는다.

포획된 양자점은 빛과 가장 강하게 반응하는 방향으로 스스로 정렬됐다. 이는 단일양자광원을 더 안정적으로 활용할 수 있는 핵심원리가 된다.

연구팀은 탐침과 기판 사이의 간격을 조절해 빛이 갇히는 공간의 크기를 바꾸는 방식으로 양자광원의 밝기와 에너지, 양자결합 세기를 실시간으로 제어하는 데도 성공했다.

기존에는 양자광원을 우연히 찾아 관찰하는 데 그쳤다면, 이번 기술은 필요한 양자광원을 직접 붙잡아 원하는 특성으로 바꿔 쓸 수 있다는 점에서 차이가 있다. 포획과 측정, 제어, 분광 기능을 하나의 장치에 담은 ‘능동형 양자나노현미경’인 셈이다.

연구팀은 이 기술이 양자통신용 단일광자원과 양자 스위치, 나노양자센싱 등에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 액체 환경에서 작동하기 때문에 바이러스와 단백질, 미세플라스틱 등 극미량 물질을 단일입자 수준에서 분석하는 바이오·환경 센서로도 확장할 수 있다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 최근 게재됐다.

박경덕 교수는 “양자현상을 관찰하는 수준을 넘어 초집속 나노빛으로 양자특성을 능동적으로 바꿀 수 있는 기술”이라며 “초고감도 바이오센싱과 차세대 양자광소자 분야로 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.