LSU 연구진, 상온 작동 세계 첫 양자소재 개발…Nature 게재

극저온 장벽과 새로운 접근법

양자 현상은 원자 열진동에 극히 민감하기 때문에, 기존 양자소재 대부분은 절대영도에 가까운 환경에서만 양자 특성을 발현한다. 부피가 크고 유지비가 높은 극저온 냉각 장치는 양자 기술 실용화를 가로막는 대표적 장벽이었다. LSU 물리학과 Omar S. Magaña-Loaiza 부교수 연구팀은 자연계에 이미 존재하는 소재에서 원하는 특성을 탐색하는 대신, 처음부터 구조를 설계·제작하는 방식으로 이 문제에 접근했다.

인공 메타원자 배열로 구성한 플라즈모닉 결정

연구팀은 유리 기판 위에 얇은 금 박막을 증착한 뒤, 집속이온빔으로 수백 개의 미세 슬릿을 새겨 각각을 인공 원자(메타원자)로 기능하게 했다. 이 메타원자들이 집합적으로 형성하는 결정 구조의 두께는 머리카락 한 올보다 얇다. 메타원자의 크기·형태·배열 간격을 정밀하게 조정함으로써, 빛이 금 표면의 플라즈몬을 매개로 이동할 때 특정 양자 상태만 선택적으로 통과시키는 필터로 작동하도록 설계했다. 자연계에 상응 구조가 없기 때문에 연구팀은 '양자통계 플라즈모닉 메타결정'이라는 새 명칭을 도입했다.

양자통계 필터와 강건한 수송

이 메타결정의 핵심 기능은 빛의 양자 통계를 직접 구별하는 것이다. 태양광·레이저광·형광 등 외견상 유사한 광원도 광자의 통계적 분포 방식에서 차이가 있으며, 이를 구별하려면 통상 정밀 계측기와 수백만 회 측정이 필요하다. 이 메타결정은 색이나 강도 대신 광자 통계 자체를 감지해 각 양자 상태를 결정 내부의 별도 경로로 안내한다. 연구팀은 이 과정에서 상태의 통계 특성이 최소한으로만 바뀌는 현상을 '강건한 수송'으로 정의했다. 반도체에서 전자 밴드 구조가 전도 특성을 결정하는 것처럼, 메타결정에도 '양자통계 밴드'가 형성됨을 확인했으며, 메타원자 배열 설계를 통해 어떤 양자 상태가 변형 없이 통과할 수 있는지 사전에 결정할 수 있다. 연구팀은 이를 상온에서 양자 결맞음을 내재적으로 감지하는 첫 번째 양자소재로 평가한다.

응용 전망과 남은 과제

연구팀은 이 소재가 양자컴퓨팅에서 양자 정보를 이동시키는 부품, 양자 통신망, 초정밀 센서 등에 적용될 수 있다고 전망한다. 에너지 분야 응용도 다음 단계 목표로 꼽혔다. 기존 태양전지에서는 입사 광자 일부가 열로 손실되는데, 메타결정을 태양전지에 통합해 광전 변환 효율 향상 여부를 검증하는 실험이 계획돼 있다. 이론 설계부터 나노 가공, 실험 검증까지 전 과정이 LSU 양자광자학 그룹 내에서 수행됐으며, Chenglong You(현 중국전자과기대 교수), Riley B. Dawkins(NIST 박사후연구원), 대학원생 Jannatul Ferdous 등이 핵심 기여자로 참여했다. 다만 현 연구는 레이저 기반 실험실 설정에서 검증된 것으로, 실소자 집적·양산성·장기 안정성에 대한 추가 검증은 과제로 남아 있다.