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러시아 국립 원자핵연구 대학(National Research Nuclear University MEPhI), 영국 사우샘프턴 대학(University of Southampton)의 연구진은 1차원 다공성 실리콘 광자결정 속의 반도체 양자점의 자발 방출 속도와 강도를 증가할 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 양자 컴퓨터를 만드는데 필요한 핵심 문제 중의 하나를 해결하고 생의학 모니터링을 새로운 수준으로 끌어 올리는데 도움을 줄 수 있을 것이다.양자점은 빛과 물질이 상호작용할 수 있는 저차원 형광 나노구조체이다. 양자점은 나노결정의 크기에 따라서 넓은 파장 범위의 빛을 흡수하고 좁은 파장 범위의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 한 개의 양자점은 각각의 특정 색상으로 빛난다. 이런 특성들은 양자점이 조명 장치, 태양광 패널, 양자 계산을 위한 큐비트까지 다양한 분야에 사용될 수 있다. 또한 광 안정성과 밝기 측면에서 기존 형광체보다 우수하다. 따라서 양자점 디스플레이는 다른 기술에 비해 훨씬 더 높은 밝기, 색상 대비, 낮은 전력 소비 등을 제공할 수 있다.이번 연구진은 다공성 실리콘 기반의 광자 구조에서 반도체 양자점의 방출 속도와 강도를 모두 증가시킬 수 있다는 것을 최초로 입증했다. 이것은 다공성 기질에서 형광체의 국소적인 전자기 환경을 변경시킴으로써 자발적인 발광을 제어하는데 새로운 방법을 제공한다. 또한 이 연구결과는 바이오 감지, 광전자 공학, 암호화, 양자 컴퓨터 등의 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.이 연구는 광자결정의 산화를 사용했다. 광자결정의 산화는 발광 소멸을 억제하고 흡수를 위한 에너지 손실을 감소시켰다. 이러한 구조의 발광을 향상시키기 위해 다양한 방법이 사용되었고, 그 중에서 광자결정을 사용하는 것이 특히 중요했다. 광자결정 굴절률의 주기적인 변화를 통해 광자 상태 밀도(photonic states density)의 국부적인 증가를 달성할 수 있었다. 광자결정을 제조하기 위해 다공성 실리콘이 사용되었고, 이 소재는 굴절률을 정확하게 제어할 수 있고 제조가 용이하며 흡착능력이 뛰어났다.이 연구결과는 광 컴퓨터 또는 암호화 시스템을 개발하는데 큰 역할을 할 것이다. 이 시스템을 사용하면 현재는 거의 불가능한 단일 또는 양자 얽힌 광자의 주문형 생산이 가능해진다. 얽힌 광자는 현대 물리학에서 중요한 역할을 한다. 얽힌 쌍이 없으면 양자 통신 및 양자 순간 이동을 수행할 수 없고 양자 인터넷으로 연결된 양자 컴퓨터를 구축하는 것이 거의 불가능하다. 양자 컴퓨터가 만들어지면 분자 모델링, 암호화, 인공 지능 등의 모든 영역에서 큰 변혁이 올 것이다.이 새로운 시스템은 효소-결합 면역 흡착 측정(enzyme-linked immunosorbent assay)을 위한 소형 형광 바이오센서용으로 사용될 수 있다. 광자결정 증가 형광(photonic crystal enhanced fluorescence)을 가진 양자점을 사용함으로써 분석 감도를 크게 향상시켜서 조기 질병 감지가 가능하고, 환자 치료용 모니터링을 용이하게 한다. |
