소형 디바이스, 실온에서 강력한 레이저 출력, 전력 소모량 7배 절감

최근 미국 렌슬러 폴리테크닉 연구소(Rensselaer Polytechnic Institute) 연구원들은 인간의 머리카락보다 얇은 마이크로 장치를 발명했는데, 이는 과학자들이 빛과 물질의 본질을 탐구하고 양자장의 신비를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 가장 중요한 장점은 실온에서 작동할 수 있고 복잡한 인프라가 필요하지 않다는 것입니다.
연구진은 "재료 선택이 가장 중요하며, 이 응용 분야에 엑시톤 재료인 CsPbCl3를 선택한 것은 우리가 처음입니다."라고 말했습니다. CsPbCl3는 연구진이 광자 위상 절연체(PTI)를 만드는 데 사용한 칼코게나이드 재료입니다.
고전 물리학이 세상을 이해하는 데 도움이 되었지만, 기술적 진보는 양자 역학에 많은 빚을 졌습니다. 발광 다이오드(LED)에서 레이저, 트랜지스터, 심지어 전자 현미경에 이르기까지 양자 역학에 대한 이해는 현대 기술의 도약을 이끌었습니다.
그러나 양자 영역에는 아직 탐구되어야 할 많은 미지의 것들이 있습니다. 전 세계의 연구자들은 최첨단 장비를 사용하여 원자 입자의 행동을 연구하여 이해를 높이고 있습니다. RPI 재료 과학 및 공학과의 조교수인 웨이 바오와 그의 팀은 독특한 길을 걸었습니다.
광자 위상 절연체란 무엇인가?
PTI는 빛의 광자를 재료 내부의 특별히 설계된 인터페이스로 유도하는 동시에 빛이 재료 내부에서 산란되는 것을 방지하는 재료입니다. 이 속성은 재료 내부의 여러 광자가 일관성을 유지하고 단일 광자의 동작을 나타낼 수 있게 합니다.
RPI 연구원들은 이런 물질의 특성을 활용해 절연체를 시뮬레이션 물질로 바꿔 광자의 양자 특성을 연구할 수 있는 소형 실험실을 만들었습니다.
연구자들은 이 장치를 제작하는 동안 마이크로칩 제작에 사용된 것과 유사한 기술을 사용했습니다. 그들은 서로 다른 재료를 층층이 쌓았고, 각 분자는 특정 특성을 가진 구조를 구축하도록 주의 깊게 배열되었습니다.
먼저, 팀은 세슘, 납, 염소를 사용하여 칼코게나이드의 초박막 판을 만들었습니다. 다음으로, 그들은 폴리머에 특정 패턴을 에칭했습니다. 그런 다음 결정판과 폴리머를 다른 산화물 재료의 얇은 시트 사이에 끼워 넣어 약 2마이크론 두께, 100마이크론 길이, 평균적인 인간 머리카락의 직경보다 작은 작은 장치를 만들었습니다.
이 장치는 어떻게 작동하나요?
팀이 장치에 레이저를 사용했을 때, 빛나는 삼각형 패턴이 재료 인터페이스에 나타났습니다. 이 패턴은 레이저의 위상적 특성에서 비롯되었으며 장치 설계에 의해 결정됩니다.
이 장치의 중요한 장점은 실온에서 작동할 수 있다는 것입니다. CsPbCl3의 안정적인 엑시톤 결합 에너지는 최대 ~64 meV로, 실온에서의 열 변동인 25.8 meV보다 훨씬 높습니다.
과거에는 연구자들이 진공 상태에서만 물질을 과냉각할 수 있었고, 이를 위해서는 부피가 크고 값비싼 장비가 필요했습니다."라고 연구팀은 성명에서 밝혔습니다. 하지만 많은 실험실에서는 이를 위한 장비가 없습니다. 따라서 저희 장치를 사용하면 더 많은 연구자들이 실험실에서 기본적인 물리학 연구를 수행할 수 있을 것입니다."
또한 이 장치는 작동에 필요한 에너지가 적은 레이저를 개발하는 데 도움이 될 것입니다. 우리의 실온 강결합 위상 편광 레이저(15.2 μJ cm-2)의 임계값은 저온 III-V InGaAs 약결합 시스템(~106 μJ cm-2)보다 훨씬 낮으며, 이는 약 7배 더 낮습니다.