2차원 페로브스카이트 기반 단일광자 광원 최초 구현

- 결정 가장자리의 저에너지 엣지 상태 활용해 양자광원 구현… 양자 통신·양자 컴퓨팅 응용 가능성 제시-

[연구필요성]

양자 암호, 양자 통신, 양자 컴퓨팅과 같은 차세대 양자 정보기술을 구현하려면 한 번에 광자 1개만 안정적으로 방출하는 단일광자 광원이 필수적이다. 특히 실제 소자에 적용되기 위해서는 우수한 성능은 물론, 원하는 위치에 정밀하게 구현할 수 있어야 하고 대량 생산에도 적합해야 한다. 지금까지는 다이아몬드 결함 구조와 반도체 양자점이 대표적인 단일광자 광원 후보로 활발히 연구되어 왔다.

그러나 이러한 방식은 광원의 위치를 정밀하게 제어하기 어렵고, 고품질 광학 소자와 집적하는 과정이 복잡하다는 한계가 있다. 최근에는 육방정 질화붕소(hBN)와 전이금속 다이칼코게나이드(TMD) 같은 2차원 물질도 새로운 단일광자 광원 후보로 주목받고 있다. 하지만 이들 물질 역시 빛의 방출 위치를 원하는 대로 제어하기 어렵고, 균일한 고품질 재료를 넓은 면적으로 구현하는 데에도 어려움이 있어 실용화를 위해서는 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있다. 차세대 양자 소자 개발을 위해서는 새로운 2차원 물질 후보를 발굴하는 한편, 이들 물질에서 나타나는 빛 방출의 근본적인 특성을 정확히 이해하는 연구가 필요하다. 이를 바탕으로 위치 제어가 가능하고 재현성이 높은 단일광자 소자를 구현하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

[연구성과/기대효과]

박홍규 서울대학교 교수와 Letian Dou 에모리대학교 교수, Peijun Guo 예일대학교 교수 공동 연구팀이 2차원 페로브스카이트를 이용한 단일광자 광원을 최초로 구현했다. 연구팀은 얇게 분리한 2차원 페로브스카이트 단결정의 가장자리에 밴드갭보다 낮은 에너지의 빛을 조사한 결과, 전하가 가장자리의 저에너지 상태를 거쳐 특정한 깊은 결함 상태로 이동하면서 극히 좁은 영역에서만 빛이 방출된다는 사실을 확인했다.

이 과정에서 한 번에 광자 한 개만 방출되는 단일광자 방출이 일어난다는 점을 광자 상관 측정을 통해 정량적으로 검증했다. 연구팀은 나아가 재료에 인위적으로 변형을 가해 형성한 내부 가장자리 구조에서도 동일한 현상이 나타남을 확인했으며, 양자우물 두께가 서로 다른 다양한 2차원 페로브스카이트에서도 이러한 특성이 재현된다는 점을 입증했다.

이번 연구는 저비용 용액 공정이 가능하고 재료 조성을 유연하게 설계할 수 있는 2차원 페로브스카이트를 단일광자 광원으로 처음 활용했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이번 성과가 향후 양자 통신, 양자 암호, 양자 컴퓨팅에 활용될 실용적 양자소자 개발에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대하고 있다.

이 결과는 2026년 3월 23일, 세계적인 학술지인 Nature Communications에 게재되었다.

[본문]

□ 연구 필요성

양자 통신, 양자 암호, 양자 컴퓨팅과 같은 미래 양자 정보기술을 구현하기 위해서는 한 번에 광자 1개만 안정적으로 방출하는 ‘단일광자 광원’이 필수적이다. 지금까지는 다이아몬드 결함 구조나 반도체 양자점 등이 유력한 후보로 연구되어 왔지만, 원하는 위치에 정밀하게 구현하기 어렵고 광학 소자와 집적하는 과정이 복잡하다는 한계가 있었다.

최근에는 육방정 질화붕소(hBN), 전이금속 다이칼코게나이드(TMD)와 같은 2차원 물질도 단일광자 광원 후보로 주목받고 있다. 그러나 방출 위치를 정밀하게 제어하기 어렵고, 넓은 면적에서 균일한 고품질 재료를 구현하는 데에도 어려움이 있어 실제 응용으로 이어지기까지는 해결해야 할 과제가 남아 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복할 새로운 후보 물질로 2차원 하이브리드 할라이드 페로브스카이트에 주목했다. 이 물질은 우수한 광전자 특성을 지니고 있을 뿐 아니라, 매우 얇은 단층이 아니어도 강한 양자 구속 효과를 나타낸다. 또한 재료 조성을 조절해 다양한 특성을 구현할 수 있어 차세대 양자광원 소재로서 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 지금까지 단일광자 방출원으로서의 가능성은 거의 탐구되지 않았다.

□ 연구내용

이번 연구에서 연구팀은 2차원 페로브스카이트 단결정을 얇은 시트 형태로 제작한 뒤, 결정 가장자리에서의 빛 방출 특성을 정밀하게 관찰했다. 그 결과, 특정 조건에서 빛이 가장자리의 매우 작은 영역에 국소화되어 강하게 방출되는 현상을 확인했다. 특히 밴드갭보다 낮은 에너지의 빛으로 여기했을 때, 가장자리에 국소화된 밝은 발광점이 뚜렷하게 나타났다.

연구팀이 이 발광점의 광자 통계를 측정한 결과, 한 번에 광자 하나씩만 방출되는 단일광자 방출 특성이 확인됐다. 이는 2차원 페로브스카이트가 실제로 양자광원으로 작동할 수 있음을 보여주는 중요한 결과이다.

또한 연구팀은 광발광 여기 분광법과 시간 분해 광발광 분석을 통해, 낮은 에너지의 빛으로 여기할 경우 엑시톤이 가장자리 상태를 거쳐 더 깊은 결함 상태로 빠르게 이동하면서 단일광자 방출의 속도와 순도가 향상된다는 메커니즘을 규명했다.

나아가 연구팀은 나노구조를 이용해 재료 내부에 가장자리와 유사한 구조를 인위적으로 형성했고, 그 내부에서도 단일광자 방출이 가능함을 확인했다. 또한 양자우물 두께가 다른 여러 종류의 2차원 페로브스카이트에서도 동일한 현상이 재현됨을 보여줌으로써, 이 접근법이 특정 물질에만 국한되지 않는다는 점도 입증했다.

□ 기대효과

이번 연구는 2차원 페로브스카이트를 단일광자 방출원 플랫폼으로 활용할 수 있음을 처음으로 입증한 성과라는 점에서 의미가 크다. 2차원 페로브스카이트는 저비용 용액 공정을 통해 넓은 면적에 손쉽게 제작할 수 있으며, 재료 조성을 조절해 방출 파장과 구조적 특성을 다양하게 설계할 수 있다는 장점도 지닌다.

연구팀은 이번 성과가 앞으로 단일광자 방출 위치를 정밀하게 제어하고, 광학 공진기나 전기 구동 소자와 결합하는 기술로 발전할 경우, 양자 암호 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 네트워크 등 실용적인 양자 정보기술 구현으로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.

[연구결과]

Single-photon emission from two-dimensional perovskites channeled through low-energy edge states


Gunwoo Na, Jee Yung Park, Jae-Pil So, Peijun Guo, Letian Dou, Hong-Gyu Park

(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-026-71000-2)

박홍규 교수(서울대학교)·Letian Dou 교수(에모리대학교)·Peijun Guo 교수(예일대학교) 공동 연구팀은 2차원 페로브스카이트에서 공간적으로 국소화된 단일광자 방출이 가능하다는 사실을 세계 최초로 규명했다. 연구팀은 얇게 박리한 2차원 페로브스카이트 단결정의 가장자리에 밴드갭 이하 에너지의 빛을 조사했을 때, 전하가 저에너지 엣지 상태를 거쳐 밴드갭 내부의 깊은 구속 상태로 선택적으로 유도되면서 단일광자 방출이 일어난다는 점을 확인했다. 또한 이차 광자 상관 측정을 통해 이러한 현상을 정량적으로 입증했으며, 인위적 변형으로 형성한 엣지와 서로 다른 양자우물 두께를 갖는 다양한 2차원 페로브스카이트에서도 동일한 현상이 재현된다는 사실을 밝혔다. 이번 성과는 저비용 용액 공정이 가능하고 조성 설계의 유연성이 높은 2차원 페로브스카이트를 단일광자 방출원으로 처음 활용한 사례라는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이번 연구가 차세대 양자 통신과 양자 컴퓨팅 소자 개발에 중요한 전기를 마련할 것으로 기대하고 있다.

[그림설명]

(그림 1) 2차원 페로브스카이트의 구조와 실험 개념도

(그림 2) 펌프 파장에 따른 발광 분포 변화

(그림 3) 단일 광자 방출 검증 및 작동 원리