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[IT뉴스]거울 속에 가둔 빛, 반도체 성질 자유자재 제어

온카뱅크관리자

2026-05-28 13:17:42

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 <img alt="왼쪽부터 신동빈 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 교수, 페이저 탕 중국 베이항대 교수, 앙겔 루비오 독일 막스플랑크 구조·물질동역학연구소 소장. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202605/28/dongascience/20260528130955057wepf.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="9NoGE5lwe3" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202605/28/dongascience/20260528130955057wepf.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 신동빈 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 교수, 페이저 탕 중국 베이항대 교수, 앙겔 루비오 독일 막스플랑크 구조·물질동역학연구소 소장. GIST 제공
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 거울 안에 가둔 빛을 이용해 반도체의 다양한 양자 상태를 구현하는 기법이 제시됐다. 차세대 양자컴퓨터와 저전력 반도체 설계 시 적용할 수 있는 기법이다. 
 광주과학기술원(GIST)은 신동빈 물리·광과학과 교수가 이끈 한·중·독 공동연구팀이 거울 안에 가둔 빛을 이용해 반도체 물질의 전기적 성질을 바꾸는 새로운 ‘광자장(photon field) 기반 위상 제어 기법’을 제안했다고 28일 밝혔다. 광자장은 빛을 만들고 전달하는 전자기장의 양자적 형태를 의미한다. 
 최근 양자컴퓨터와 차세대 반도체 분야에서 빛과 물질의 상호작용을 이용해 전자의 움직임을 제어하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 강한 레이저를 이용해 전자 상태를 변화시키는 ‘플로케(Floquet) 방식’과 격자 상태를 변화시키는 ‘비선형 포논 상호작용’이 대표적이다. 
 플로케 방식과 비선형 포논 방식은 강한 빛을 지속적으로 가해야 하기 때문에 열이 많이 발생하고 전자의 변화된 상태가 매우 짧은 시간만 유지된다. 기존 연구에서 구현된 전자 변화 상태는 수십 ps(피코초, 1조분의 1초) 수준에 머물렀다. 강한 레이저 사용에 따른 열 손상 문제도 발생할 수 있다.  
 연구팀은 기존 한계를 극복하기 위해 외부에서 강한 레이저를 비추는 대신 빛을 좁은 공간 안에 가둬 물질과 지속적으로 상호작용하도록 만드는 새 접근법을 찾았다. 두 개의 거울 사이 공간인 광학 공동 및 도파관 내부에 빛을 가둔 뒤 물질과 강력한 결합을 이루도록 설계한 것이다. 
 빛과 물질의 결합으로 생긴 광자장은 전자와 지속적으로 영향을 주고받으며 물질의 성질을 변화시키는 역할을 한다. 
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 <img alt="광자장에 의해 유도된 수은 텔루라이드(HgTe)의 위상 상전이 모식도. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202605/28/dongascience/20260528130956282hvbv.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="2H7gVAe4dF" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202605/28/dongascience/20260528130956282hvbv.jpg" width="658">
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 광자장에 의해 유도된 수은 텔루라이드(HgTe)의 위상 상전이 모식도. GIST 제공
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 연구팀은 반도체 물질인 수은 텔루라이드(HgTe)에서 광자장을 형성한 뒤 양자전기역학 밀도범함수이론(QEDFT)을 이용해 물질의 변화를 분석했다. 그 결과 광자장은 HgTe의 대칭성을 변화시키면서 전자 상태와 원자 구조를 함께 바꾼다는 사실이 확인됐다. 
 광자장의 조건에 따라 하나의 물질이 서로 다른 위상 상태로 전환될 수 있다는 점이 이론적으로 입증된 것이다. 반금속 상태였던 HgTe는 광자장 조건에 따라 다양한 전기적 성질을 갖는 물질로 변화했다.
 전자가 특정 선을 따라 이동하는 ‘노달라인 반금속’, 전자가 한 방향으로 매우 빠르게 이동하는 ‘바일 반금속’, 내부는 절연체지만 표면을 따라 전류가 흐르는 ‘위상절연체’ 상태 등으로 전환됐다. 
 연구팀의 광자장 기반 위상 제어 기법은 기존 반도체 소자에서 발생하는 저항성 발열과 에너지 손실을 줄이는 새로운 초저전력 구동 기술로 활용될 수 있다. 양자컴퓨터, 위상 양자소자, 초저전력 전자소자 등 미래 정보기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다. 
 신 교수는 “이번 연구는 외부에서 강한 레이저를 지속적으로 가하지 않고도 거울 안에 갇힌 빛과 물질의 양자적 상호작용만으로 전자 구조와 위상 상태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여줬다”며 “광자장 기반 제어 기술은 위상 양자컴퓨팅과 차세대 반도체 기술의 새로운 설계 원리로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 28일 온라인 게재됐다. 
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1126/sciadv.aea5823
 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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