킬대 연구진, 육방정 질화붕소 점결함으로 대칭 금지 포논 활성화·결맞음 발광 확인

육방정 질화붕소와 양자 방출체

육방정 질화붕소는 붕소와 질소 원자가 벌집 형태로 배열된 2차원 소재로, 두께가 원자 몇 층에 불과하다. 이 대칭 구조는 내부에서 빛과 격자 진동이 어떻게 상호작용할 수 있는지를 엄격히 제한한다. 특정 종류의 집단 격자 진동, 즉 포논은 규칙적 배열 때문에 빛과의 에너지 교환이 구조적으로 차단된다.

그러나 실제 소재의 원자 배열은 완벽하지 않다. 원자가 빠져 있거나 엉뚱한 자리를 차지하는 점결함이 필연적으로 발생한다. 이 점결함은 단일 광자를 방출하는 양자 방출체로 작동하며, 광학 및 양자 기술 응용 분야에서 주목받아 왔다.

금지 포논이 결맞음 빛을 만드는 경로

Talebi 연구팀은 h-BN에 레이저 광을 조사한 뒤 방출광을 분석했다. 점결함에서 나오는 기존의 발광 신호 외에, 입사 레이저보다 에너지가 낮은—즉 파장이 더 긴—추가 신호가 감지됐다. 이 에너지 차이는 h-BN 격자의 특정 포논에 정확히 대응했다.

주목할 점은 해당 포논이 결정 대칭 규칙에 따르면 이 형태의 빛 산란에 참여할 수 없는 종류라는 것이다. 연구팀은 양자 방출체와 포논 사이의 상호작용이 이 금지 규칙을 사실상 우회하는 경로를 열어 주며, 그 결과 광파들이 고정된 위상 관계를 유지하는 결맞음 발광이 실현된다고 설명했다.

레이저와 전자빔 비교로 메커니즘 구분

연구팀은 원인을 특정하기 위해 레이저 외에 전자빔으로도 소재를 여기시켰다. 두 방식 모두 점결함 발광을 유발했지만, 에너지가 낮아진 추가 신호는 레이저 여기에서만 나타났다. 전자빔은 결함의 전자 상태를 직접 여기하는 반면, 레이저는 격자 진동과의 에너지 교환 경로를 함께 열어 준다는 것이 연구팀의 해석이다. 이 비교 실험을 통해 두 과정이 서로 다른 물리 경로임을 구분할 수 있었다.

결함 밀도 조절로 포논 선택 가능성

연구팀은 아르곤 플라즈마 처리로 추가 점결함을 도입한 뒤 신호 변화를 추적했다. 그 결과 기존과 다른 종류의 포논과 연관된 두 번째 발광 신호가 새롭게 나타났다. 이는 결함 밀도를 조절함으로써 발광에 관여하는 포논의 종류를 선택적으로 바꿀 수 있음을 시사한다.

의미와 한계

이번 연구는 소재 결함이 양자 특성을 저하시키는 디코히어런스 원인으로만 간주되던 기존 시각에 반론을 제기한다. 결함이 오히려 새로운 광학 상호작용을 여는 자원으로 활용될 수 있다는 점에서, 양자 광원 설계 방향에 시사점을 준다. 다만 현 단계는 메커니즘 확인 수준이며, 실용적인 양자 광원으로 가기 위해서는 결함과 포논의 상호작용을 의도적으로 제어하는 기술이 추가로 개발돼야 한다고 연구팀은 명시했다.