이차원 단층에서의 엑시톤-플로케 합성 상태에 대한 모식도.[DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 대구경북과학기술원(DGIST)은 화학물리학과 이재동 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박노정 교수팀과 함께 엑시톤(Exciton)과 플로케(Floquet) 상태의 상호작용을 통해 새로운 양자 상태와 양자정보 추출과 제어 메커니즘을 제시했다고 밝혔다.

공동 연구팀은 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 분리되어 결맞음이 더 오래 유지될 수 있다. 이를 활용한 이차원 반도체의 양자정보 소자 개발 가능성이 기대되어 왔지만, 현재까지 엑시톤이 형성되는 과정에서 시간이 지나면서 발생하는 전자의 결맞음과 결어긋남(decoherence)에 대한 이해는 부족했다.

이재동(오른쪽) 교수가 양자정보기술 관련 연구성과에 대해 논의하고 있다.[DGIST 제공]

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. 또한 이 과정에서 양자 얽힘이 발생하는 메커니즘을 규명하고, 실시간으로 양자정보를 추출, 전개, 제어할 수 있는 방법을 제시했다.

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

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

이번 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘나노 레터스’에 게재됐다.