버팔로대, h-BN 원자 결함 10종 비선형 광학 지문 예측…단일광자 양자광원 배열 설계 목표

육방정계 질화붕소와 원자 결함의 중요성

h-BN은 보론과 질소 원자가 벌집 형태로 반복 배열된 2차원 소재다. 이 소재의 일부 결함 자리는 양자 정보를 담은 단일 광자를 방출할 수 있어, 양자 통신과 센싱 분야에서 유력한 소재 후보로 꼽힌다. 그러나 결함 종류가 다양한 데 비해 각각을 실험적으로 구별하는 방법은 아직 체계적으로 갖춰지지 않았다. 결함들은 레이저를 쬐었을 때 방출되는 빛의 세기와 편광 패턴을 각기 다르게 변화시키는데, 연구팀은 이 고유한 광학 반응을 '광학 지문'으로 정의하고 계산 모델로 예측하는 작업에 나섰다.

10종 결함의 비선형 광학 응답 비교

연구팀이 모델링한 결함 유형은 보론 또는 질소 원자가 빠진 공공(vacancy)과 탄소 원자로 치환된 형태 등 총 10가지다. 시뮬레이션 결과, 일부 결함은 입사 레이저 주파수의 2배 혹은 3배에 해당하는 고조파 영역에서 광 세기가 크게 증가하는 비선형 응답을 보였으며, 그 강도는 편광 방향에 따라 달라졌다. 특히 4개의 탄소 원자로 이루어진 두 가지 서로 다른 배열 구조를 비교했을 때, 한 구조는 두 편광 방향 모두에서 강한 신호를 나타낸 반면 다른 구조는 하나의 편광 방향에서만 뚜렷한 신호가 나타났다. 이는 구성 원자가 동일하더라도 그 배열 방식만으로도 광학 지문이 명확하게 갈릴 수 있음을 뜻한다.

단일광자 양자광원 배열을 향한 경로

연구팀의 최종 목표는 단순한 결함 분류에서 나아가, 양자 빛을 방출하는 결함을 원하는 위치에 정밀하게 배치한 소재를 구현하는 것이다. 단일 광자는 양자 통신·센싱에서 정보를 전달하는 기본 단위로 쓰이는데, 이를 안정적으로 활용하려면 결함 종류와 위치를 제어할 수 있어야 한다. 이번 계산 데이터는 실험실에서 측정한 광학 지문과 대조해 결함 유형을 역추적하는 기준선 역할을 할 수 있으며, 여러 양자 광원을 집적한 배열 소자 설계로 가는 경로를 열어 줄 것으로 연구팀은 보고 있다.

연구의 현재 위치와 한계

이번 성과는 계산화학 기반의 예측 연구로, 실제 h-BN 시료에 대한 실험 검증은 아직 이루어지지 않았다. 현실 시료에는 여러 결함이 공존하고 열 노이즈 등 환경 변수가 개입하기 때문에, 예측된 광학 지문들이 실험 조건에서도 명확히 구분될 수 있는지는 후속 연구가 필요하다. 연구는 전기·컴퓨터공학과 박사과정생 올가 사브키나(Olga Savkina)와 박사후연구원 다부드 아디네흘루(Davoud Adinehloo)가 이끌었으며, 공동 교신저자는 같은 학과 바실리 페레베이노스(Vasili Perebeinos) 교수와 화학과 파라스 프라사드(Paras N. Prasad) 석좌교수다.