이차원 단층에서 빛물질 상호작용이 가해졌을 때 엑시톤(전자 홀 쌍)과 플로케 상태(보라색 구름)가 동시에 만들어지며 둘 사이에 상호작용이 발생하는 모습. (사진=DGIST 제공)

(CNB뉴스=신규성 기자) DGIST 화학물리학과 이재동 교수 연구팀이 엑시톤(Exciton)과 플로케(Floquet) 상태의 상호작용을 통해 새로운 양자 상태와 양자정보 추출과 제어 메커니즘을 제시했다.

연구팀은 UNIST 물리학과 박노정 교수와의 공동연구를 통해, 이차원 반도체에서 빛과 물질의 상호작용으로 발생하는 엑시톤과 플로케 상태의 형성 및 합성 과정, 그리고 그 과정에서 발생하는 얽힘(entanglement)에 의해 양자정보가 실시간으로 전개되는 과정을 최초로 규명했다. 이번 연구 결과는 이차원 반도체에서 엑시톤 형성 과정에 대한 이해를 높이고, 이를 기반으로 한 양자정보 기술을 한층 발전시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.

일반적인 삼차원 고체에서는 열적 효과로 인해 양자 결맞음(quantum coherence)이 오래 유지되기 어렵다. 그러나 이차원 반도체는 비교적 약한 가림효과(screening effect)로 인해 엑시톤의 에너지 레벨과 전도대(conduction band)가 크게 분리돼 결맞음이 더 오래 유지될 수 있다. 이를 활용한 이차원 반도체의 양자정보 소자 개발 가능성이 기대돼 왔지만, 현재까지 엑시톤이 형성되는 과정에서 시간이 지나면서 발생하는 전자의 결맞음과 결어긋남(decoherence)에 대한 이해는 부족했다.

이에 이재동 교수팀은 이차원 반도체 물질을 대상으로 시분해 각도분해 광전자분광의 이론 계산을 진행했다. 그 결과, 엑시톤이 형성되는 동안 플로케 상태가 동시에 만들어지고, 이 두 상태가 결합해 새로운 양자 상태가 형성되는 것을 확인했다. 또 이 과정에서 양자 얽힘이 발생하는 메커니즘을 규명하고, 실시간으로 양자정보를 추출, 전개, 제어할 수 있는 방법을 제시했다.

DGIST 화학물리학과 이재동 교수는 “이번 연구를 통해 엑시톤-플로케 합성 상태라는 새로운 양자 상태를 발견했고, 동시에 양자 얽힘과 양자정보 추출에 대한 새로운 메커니즘을 제시했는데, 향후 이차원 반도체에서의 양자정보 기술 연구에 기여할 것으로 보인다”고 밝혔다.

UNIST 물리학과 박노정 교수는 “이번 연구는 양자컴퓨터를 비롯한 양자정보기술의 새로운 패러다임이 될 것이며, 그 구현을 위한 중요한 도약이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 DGIST의 국제공동연구사업으로 수행됐으며, 연구 결과(제1저자: DGIST 화학물리학과 박효섭 학위연계과정생)는 나노과학·기술 분야의 최고 권위 학술지인 ‘Nano Letters’에 10월에 게재됐다.