조용훈·최형순 KAIST 연구팀, 양자 소용돌이 생성·제어 성공

KAIST(총장 신성철) 물리학과 조용훈·최형순 교수 연구팀이 반도체 공진기 구조를 통해 '엑시톤-폴라리톤 응축'이라는 양자물질 상태에서 광학적 방식으로 양자 소용돌이를 생성하고 제어하는 데 성공했다.

권민식 연구원과 오병용 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구결과는 미국 물리학회가 발행하는 물리학 권위지인 '피지컬 리뷰 레터스' 2월호에 게재됐다.

초유체·초전도체 같은 양자 유체는 특수한 조건에서 소용돌이를 일으키며 회전한다. 파동 함수의 위상이 소용돌이를 중심으로 원주율의 특정 배수가 되는 조건에서 소용돌이가 일어난다. 이처럼 소용돌이가 불연속적으로 양자화되는 현상을 양자 소용돌이라고 한다.

연구팀은 폴라리톤 응축 상태를 기반으로 레이저(광-펌핑 유도용)의 궤도 각운동량을 제어해 반도체 물질 내 양자 소용돌이의 방향과 개수를 손쉽게 조절할 방법을 개발했다. 연구 결과로 향후 고체 상태에서 광학적 방법을 이용한 미래형 정보 소자와 복잡한 양자 현상을 이해할 수 있는 양자 시뮬레이터로의 활용 가능성을 높였다.

더불어 비공진 레이저의 궤도 각운동량이 폴라리톤의 기저 상태에까지 영향을 끼친다는 점을 밝힌 이번 연구 성과는 반도체 공진기 시스템에서 전자-정공 쌍의 에너지 완화 과정을 이해하는 데에서도 중요한 결과다.

송진동 KIST 박사 연구팀과의 협력으로 진행된 이번 연구는 한국연구재단에서 지원을 받아 수행됐다.
한윤창 기자 storm0238@