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미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory), 시카고 대학(University of Chicago), 독일 뮌헨 대학(Ludwig Maximilian University of Munich), 캐나다 오타와대학(University of Ottawa)의 연구진은 “반도체 양자 링(semiconductor quantum ring)”이라고 불리는 도넛형 나노입자의 주요 양자 특성을 조사하는데 성공했다. 이런 양자 특성은 차세대 기술인 양자 정보 저장, 통신, 컴퓨팅에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이번 연구진은 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide)로 원형 고리를 조립했다. 카드뮴 셀레나이드는 도넛형 나노입자로 성장시키는데 유용한 반도체이다. 이 양자 고리는 2차원 구조를 가지고 있고, 몇 개의 원자층으로 구성된 결정질 물질이다. 이 반도체의 장점은 레이저로 자극했을 때 광자를 방출한다는 것이다. 레이저로 2차원 광자 방출기를 조사(照査)하면, 두 개의 축을 따라서 빛이 방출된다. 놀랍게도 2차원 고리는 한 축을 따라 빛을 방출한다. 이번 연구진은 완벽한 외전 대칭이 아닌 도넛 모양일 때 이런 효과가 관찰된다는 것을 발견했다. 즉, 대칭 파괴에 의해서 발광 방향을 바꿀 수 있었다. 따라서 광자가 도넛에서 나오는 방법을 제어함으로써 일관된 방향 제어를 얻을 수 있었다. 광자는 모든 방향으로 퍼지지 않고 단일 방향을 따라서 방출되기 때문에 단일 광자를 효과적으로 수집하도록 이런 방출을 조정할 수 있다. 이런 제어를 통해서 토폴로지 정보(topology information)를 광자 속에 통합할 수 있었는데, 이것은 양자 정보를 전달하는 메신저로 사용될 수 있다. 심지어 양자 네트워킹 및 계산을 하는데 인코딩된 광자를 활용할 수 있을 것이다. 제조 공정을 보다 효율적으로 제어할 수 있다면 여러 개의 구멍을 가진 클로버 또는 중심에 구멍이 있는 사각형과 같은 다른 형태의 나노입자를 만들 수 있을 것이다. 이것이 가능하다면, 나노입자 속에 더 많은 종류의 양자 정보 또는 더 많은 정보를 인코딩할 수 있을 것이다. 형상이 양자 효과를 불러오는 유일한 요인은 아니라고 생각한다. 나노재료의 원자 구조도 중요한 역할을 할 것이다. |
