레겐스부르크대·뮌헨공대, 자성 반도체 CrSBr에서 폴라리톤 응집체 자기장 제어…에너지 이동폭 10배

초냉각 없이 작동하는 양자 응집체

보스-아인슈타인 응집체는 수많은 입자가 동일한 양자 상태를 집단적으로 공유하는 현상으로, 초기에는 절대영도 근방의 극저온 원자기체에서만 구현이 가능했다. 최근 연구 흐름은 고체 물질 안에서도 유사한 응집 현상을 만들어 냉각 요건을 대폭 낮추는 방향으로 이동하고 있다.

반도체 안에서 레이저 펄스로 생성되는 전자-정공 쌍인 엑시톤은 홀로는 집단 양자 상태로 전이되기 어렵다. 이를 광 공명기의 빛 장과 결합하면 질량이 훨씬 가벼운 혼성 상태인 엑시톤-폴라리톤이 형성되고, 이 입자는 집단 양자 상태에 더 쉽게 도달한다. 폴라리톤 응집체는 빛을 방출하는 거시적 양자 상태이며, 경우에 따라 추가 냉각 없이도 생성될 수 있어 양자통신·양자광학·양자컴퓨팅 플랫폼 후보로 꼽혀 왔다. 그러나 응집체의 특성을 능동적으로 제어하는 것은 여전히 난제였다.

층상 반강자성 반도체 CrSBr의 등장

연구팀은 기존 범용 반도체 대신 CrSBr이라는 층상 반강자성 반도체를 선택했다. 이 물질은 원자층 두께의 2차원 층이 반데르발스 결합으로 쌓인 구조로, 각 층 안에서는 전자 스핀이 동일한 방향으로 정렬되지만 인접 층 사이에서는 스핀 방향이 교번하는 반강자성 질서를 갖는다. 이 독특한 자성 배열은 엑시톤을 각 층 안에 가두는 일종의 자기 우리(magnetic cage) 역할을 한다.

외부 자기장을 인가하면 인접 층 간 스핀이 같은 방향으로 재정렬되면서 자기 우리가 열리고, 이에 따라 엑시톤-폴라리톤의 에너지 등 물성이 바뀐다. 물질 자체의 자성 질서를 제어 수단으로 직접 사용한다는 점이 이번 접근의 핵심이다.

연구팀은 레겐스부르크대 루페르트 후버(Rupert Huber) 교수·파비안 무샤머(Fabian Mooshammer) 박사·얀 빌헬름(Jan Wilhelm) 박사, 뮌헨공대 플로리안 디른베르거(Florian Dirnberger) 박사, 프라하화학기술대 즈데녜크 소페르(Zdeněk Sofer) 교수가 주도했다.

응집 발생 확인: 광 세기 100배 급증과 결맞음

연구팀은 먼저 CrSBr 구조에서 실제로 응집이 일어남을 검증해야 했다. 극초단 레이저 펄스로 폴라리톤 밀도를 점진적으로 높이자, 임계 밀도를 넘는 순간 방출 빛의 세기가 100배 이상 급증했다. 동시에 방출된 광파들이 서로 위상을 맞추는 결맞음(coherence) 특성이 확인됐으며, 이것이 응집 발생의 직접적 증거로 쓰였다.

기존 전압 방식 대비 에너지 이동폭 최대 10배

응집체의 특성 조절은 외부 자기장의 세기를 변화시키는 방식으로 이루어졌다. 자기장이 증가할수록 방출 빛의 에너지가 연속적으로 이동했으며, 이 이동폭은 기존에 전압 인가 방식으로 달성한 수치보다 최대 10배 컸다. 온건한 세기의 자기장만으로도 충분한 제어가 가능하다는 의미이며, 제어 효율 측면에서 실질적 진전으로 평가된다.

마이크로파-광 변환과 스핀트로닉스 융합 전망

연구팀은 이 플랫폼이 향후 마이크로파 신호를 광학 신호로 변환하는 용도에 적용될 수 있다고 전망했다. 마이크로파를 이용해 CrSBr의 자성 질서를 선택적으로 조작하면, 응집체가 방출하는 빛을 극히 짧은 시간 척도에서 제어하는 경로가 열린다. 자기 메모리 소자와의 통합 가능성도 거론되며, 양자광학과 스핀트로닉스의 접점에서 새로운 플랫폼 기반을 마련할 수 있다는 점에서 주목된다.

다만 이번 성과는 원리 검증 단계로, CrSBr 기반 소자의 실용화를 위해서는 소자 집적화·작동 온도 범위 확장·노이즈 내성 확보 등 추가 과제가 남아 있다.