DGIST, 결정 구조 변화로 양자 입자 움직임 제어 '실용 양자소자 가능성 열다'

DGIST(총장 이건우) 화학물리학과 조창희 교수팀이 양자 복합 입자 '폴라리톤(polariton)'의 진동을 결정 구조의 변화로부터 유도된 전기적 특성 변화를 이용해 정밀하게 조절하는데 성공했다. 복잡한 외부 장치 없이 양자 입자 성질을 제어할 수 있음을 입증한 이번 연구는 양자 기술의 실용화 가능성을 크게 높이는 계기가 될 것으로 기대된다.

이번 양자 기술은 기존 전자기기보다 훨씬 빠르고 정밀한 정보 처리가 가능한 기술로, 양자 컴퓨터, 통신, 센서 등 다양한 분야에서 미래 산업을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다. 이러한 기술의 핵심은 양자 입자의 상태를 얼마나 정확하게 만들고 조절하느냐에 달려 있다. 특히 최근에는 빛을 활용하는 '광 기반 양자소자' 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 중심에 있는 입자가 바로 폴라리톤이다.

폴라리톤은 전자의 움직임에서 만들어지는 엑시톤(exciton)이라는 상태와 빛(광자, photon)이 결합해 만들어진 복합 입자로, 빛처럼 빠르면서도 전자처럼 서로 영향을 주고받을 수 있는 특성을 지닌다. 특히 이 입자의 진동은 양자 정보를 주고받는 속도와 직접적으로 연결되며, 이를 정밀하게 제어하는 기술은 양자소자 구현에 필수적인 요소다. 하지만 지금까지는 이 진동을 자유롭게 조절하는 데 어려움이 있었다.

DGIST 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '페로브스카이트(MAPbBr3)'라는 특수한 반도체 물질에 주목했다. 이 물질은 물이 온도에 따라 얼음이나 수증기로 상태를 바꾸듯, 결정 구조가 외부 요인에 따라 달라지는 '상전이 특성'을 갖는다. 특히 특정 구조에서는 물질 내부에 전기가 흐르지 않아도 자발적인 전기적 방향성이 나타나며, 이를 강유전성(ferroelectricity)이라고 부른다. 이러한 전기적 특성은 엑시톤의 성질을 변화시키고, 나아가 폴라리톤의 양자적 특성에도 영향을 미친다.

또 연구팀은 페로브스카이트 소재를 활용한 미세 공진기 구조를 설계하고, 상전이 특성에 따른 물질 변화가 폴라리톤의 진동('라비 진동', Rabi oscillation)에 영향을 준다는 사실을 실험으로 입증했다. 실험 결과, 결정 상태를 조절함으로써 폴라리톤의 진동 세기를 약 20%까지 조절할 수 있었으며, 빛과 전자의 결합 강도(oscillator strength)도 최대 44%까지 변화하는 것으로 나타났다. 특히 비대칭적인 결정 구조에서 나타나는 강유전성이 이러한 변화를 유도하는 핵심 요인임을 확인했다.

이번 연구에서 개발된 강유전성 기반 제어 기술은, 폴라리톤을 활용한 양자소자 설계의 유연성과 정밀도를 높이는 새로운 방법이다. 특히 양자 컴퓨터, 양자 통신, 광 기반 인공지능 칩, 초고속 센서 등 양자 정보를 다루는 다양한 분야에서, 작동 속도와 안정성을 동시에 높이는 핵심 요소로 활용될 수 있다. 또한, 결정 구조를 바꾸는 방식으로 조절이 가능하다는 점에서, 향후 상온에서 작동하는 실용적이고 비용 효율적인 양자 소자 구현으로 이어질 가능성도 높다.

조창희 교수는 “이번 연구는 폴라리톤을 단순히 생성하는 데서 나아가, 강유전성이라는 실용적인 방법으로 그 세기와 특성을 조절할 수 있다는 점에서 의미가 있다”며, “양자소자의 제어 기술이 발전함에 따라, 양자 컴퓨터나 통신 장비 등 다양한 양자 기반 기술의 실용화가 한층 앞당겨질 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 DGIST 화학물리학과 최현서 박사과정생이 제 1저자로 참여했으며, 국제학술지인 'Advanced Science'에 지난 3월에 온라인 게재됐다. 본 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.