University at Buffalo 연구팀, h-BN 내 10개 원자 결함 광학 지문 전산 예측

양자소재 결함 식별의 어려움

h-BN은 보론과 질소 원자가 벌집 모양으로 배열된 2차원 평면 소재로, 내부에 생기는 원자 결함 일부가 단일광자를 방출하는 특성 덕분에 양자통신·양자센싱의 광원 후보로 연구되고 있다. 그러나 다양한 결함 가운데 어떤 것이 유용한 양자 특성을 갖는지 실험적으로 가려내기가 쉽지 않다. 결함이 소재의 빛 반응 방식을 미묘하게 변화시킨다는 점이 단서가 되지만, 측정된 광학 신호를 특정 결함 유형에 귀속시킬 기준이 부족했다.

10종 결함의 광학 지문 전산 예측

연구팀은 보론 또는 질소 원자가 빠진 결함, 탄소 원자로 치환된 결함 등 총 10종을 전산 모델링했다. 레이저를 h-BN에 조사했을 때 각 결함이 방출광의 강도와 편광에 어떤 영향을 주는지 계산한 결과, 일부 결함은 입사광 주파수의 2배 또는 3배에 해당하는 고조파 대역에서 편광 방향에 따라 신호 세기가 뚜렷하게 달라지는 비선형 광학 응답을 보였다. 이처럼 결함마다 다른 광학 응답 패턴이 각각의 광학 지문에 해당한다.

특히 4개의 탄소 원자로 이루어진 두 배열 구조를 비교했을 때, 한 구조는 두 편광 방향 모두에서 강한 광신호를 나타낸 반면 다른 구조는 한 방향에서만 강한 신호를 보였다. 같은 원소 조합이라도 원자 배열이 달라지면 광학 특성도 달라지며, 편광 측정만으로 배열 구조를 구분할 수 있다는 가능성을 시사한다.

단일광자 광원 배열 구현을 위한 기초

h-BN 결함에서 방출되는 단일광자는 양자 정보를 전달하는 매체로 사용될 수 있다. 연구팀은 광학 지문 데이터베이스가 축적되면 실험 측정 결과와 대조해 어떤 결함이 양자 광원으로 적합한지 체계적으로 선별할 수 있을 것으로 본다. 장기 목표는 개별 결함에 의존하는 단일 광원 수준을 넘어, 특정 결함을 정밀하게 배치한 광원 배열 소재를 구현하는 것이다.

연구 한계와 향후 과제

이번 성과는 전산 시뮬레이션에 기반한 예측이며, 실험적 검증은 아직 이루어지지 않았다. 실제 소재 내부에는 불순물·온도·계면 효과 등 모델에서 단순화된 변수들이 존재한다. 원하는 위치에 특정 결함을 정밀하게 생성·배치하는 소재 엔지니어링 기술 개발도 별도의 과제로 남는다.

연구는 미국 공군 과학연구소(AFOSR) MURI, 미국 국립과학재단(NSF), 호주 연구위원회, UB 양자연구소의 지원을 받았으며, 전기컴퓨터공학과 박사과정생 Olga Savkina와 박사후연구원 Davoud Adinehloo가 주도했다.