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에너지 손실 클수록 성능 좋아지는 독특한 레이저 개발

KAIST, 양자 입자 이용 신개념 레이저 구현…다양한 양자 광소자에 응용 기대

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  • 입력 : 2021.06.11 15:48
  • 기자명 By. 이정화 기자
정육각형 마이크로 막대 공진기 구조에서 생성된 상온 플라리톤 기반의 시공간 대칭 시스템 개념도.(제공=KAIST)
정육각형 마이크로 막대 공진기 구조에서 생성된 상온 플라리톤 기반의 시공간 대칭 시스템 개념도.(제공=KAIST)
[충청신문=대전] 이정화 기자 = 국내 연구팀이 에너지 손실이 커질수록 발광 성능이 좋아지는 신개념 레이저를 개발하는 데 성공했다.

11일 KAIST에 따르면 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 정육각형 모양의 반도체 막대 구조 안에서 상호작용이 높은 양자 입자를 생성해 이같은 레이저를 만들어냈다.

손실이 클수록 작동에 필요한 에너지가 증가한다는 일반적인 직관과는 상반되는 결과로, 기존에 빛을 이용한 시공간 대칭성 시스템의 복잡성과 한계를 극복하고 하나의 반도체 마이크로 공진기로 최초 구현해냈다.

구체적으로 빛과는 달리 상호작용이 높은 폴라리톤을 이용해 단 한 개의 정육각형 마이크로 공진기 안에 존재하는 서로 다른 모드 사이의 상호작용을 직접적으로 제어할 방법을 고안했다.

육각 대칭성을 갖는 단일 공진기 내부에는 에너지가 동일하면서 정삼각형 및 역삼각형 형태의 경로를 갖는 두 개의 빛의 모드가 상호작용 없이 존재하게 되는데, 빛 대신 폴라리톤을 이용하면 엑시톤을 매개로 해 두 개의 모드 사이에 직접적인 상호작용이 가능할 것이라는 점에 착안했다.

이 중 역삼각형 모드에 대해서만 손실 크기를 연속적으로 조절할 수 있도록 나비넥타이 모양으로 홈이 팬 기판과 결합했는데, 이를 통해 손실이 증가할수록 작동에 필요한 에너지가 되레 더 작아진다는 특이한 결과를 상온에서 관측하고 그 원인을 체계적으로 규명했다.

이 기술은 향후 고효율 레이저 소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 보인다.

조 교수는 "복잡한 저온 장치 없이 시공간 대칭성과 관련된 기초연구의 문턱을 낮출 수 있는 기반이 될 것"이라며 "지속적인 연구를 통해 상온에서 작동할 수 있으면서도 손실을 이용한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다"라고 말했다.

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