KAIST, 빛처럼 전자 가두는 전자공진기 개발

전자광학 기반의 공진기 개발, 양자 정보를 처리하는 차세대 소자에 활용 등 기대

한정된 공간 안에 빛을 가둬 파동을 제어하는 공진기는 정보통신 산업에 필수적이다. 빛이 아니라 2차원 전자를 가둘 수 있는 공진기를 국내 연구진이 개발했다. 양자 정보 소자에 활용이 기대된다.

KAIST(총장 이광형) 응집상 양자 결맞음 센터는 물리학과 최형순 교수와 부산대 정윤철/전북대 최형국 교수 공동연구팀이 2차원 전자의 파동성을 이용한 공진기를 개발했다고 13일 밝혔다.

전자는 빛과 달리 매질 안에서 쉽게 산란되어 파동성을 활용하는 기술 개발이 쉽지 않다. 이런 한계를 극복해 전자를 이용해 광학 기술을 모방하는 것이 '전자광학' 분야다. 연구진은 2차원 평면상에서 반사나 회절, 간섭 등이 복합적으로 일어나는 전자를 가둬 공진기를 만드는데 성공했다.

거울 두 개만으로도 3차원 빛 파동을 작은 공간 내에 일시적으로 가둘 수 있는 광공진기와 비슷한 방식으로 전자공진기를 실제로 구현했다는 점에서 의미가 크다고 연구진은 밝혔다.

반도체를 극저온으로 냉각하면 반도체 내부의 전자가 양자역학적 특성이 보존되는 수 미크론(백만분의 1미터) 정도의 2차원 전자 파동 형태로 존재할 수 있다. 이 반도체 위에 전극을 입히고 강한 음전압을 걸면 전극이 있는 영역으로는 전자가 진입하지 못하게 되므로 전자가 반사되는 거울 역할을 할 수 있다.

반도체 내에서 전자공진기의 구조를 보여주는 모식도: (a) 평면거울 광공진기에서는 거울들이 작은 오차가 있을 시에 빛이 공진기 밖으로 쉽게 빠져나가 공명현상이 불안정하다. (b) 이와 달리 곡면거울 광공진기에선 빛이 거울에 곡률에 의해 공진기 내부에서 안정적으로 공명한다. (c) 반도체 위에 나노공정된 전극(노랑)을 증착시켜 2차원 전자계(파랑)에 공진기 구조를 형성할 수 있다. (d) 소자 사진, (e) 전자파동의 이동 경로 (자료=KAIST)

이 원리를 적용해 두 개의 마주 보는 곡면거울로 이루어진 공진기와 같은 구조를 만들고 내부에 전자 파동을 주입해 전도도를 측정, 실제로 전자가 공명하는 특성을 관측했다. 양자역학적 특성을 갖는 물질 파동 또한 빛과 같은 방법으로 가둘 수 있음을 밝혀낸 것이다.

최형순 교수는 "이 기술은 2차원 전자계의 전자광학 발전에 새로운 가능성을 제시하는 원천 기술"이라며 "향후 다양한 양자기술 분야에도 활용될 수 있으리라 기대된다"라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 선도연구센터(SRC)를 중심으로 이루어졌으며, 그 외에도 양자컴퓨팅 개발사업, 기본연구, 중견연구 지원사업 등 한국연구재단의 다양한 연구 사업의 지원이 있었다. 최근 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 실렸다.