독창적인 나노포토닉스: 양자 인터넷을 위한 양자 광원과 나노섬유의 결합

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

일본 전기통신대학(University of Electro-Communications, UEC) 포토닉스혁신연구소(Center for Photonic Innovations)를 맡고 있는 Kohzo Hakuta는, 이미 14년 전쯤에 나노섬유 양자 포토닉스(nanofiber quantum photonics)에 대한 아이디어를 떠올렸다고 한다. Kohzo Hakuta는 단일 양자점/단일 원자와 같은 양자 광원을 특별하게 설계된 나노섬유에 통합시키기를 원했다. 이런 섬유를 활용한 기술(fiber in-line technology)은 보안, 초고속 통신을 위한 분산된 양자 네트워크를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 즉, 양자 인터넷의 출현을 의미한다. Fiber in-line technology는 이런 자원을 기존의 섬유 기반의 통신 네트워크에 통합시키기 위한 장점을 가지고 있다. 포토닉스혁신연구소의 Hakuta 등은 이런 fiber in-line technology를 양자 광원에 통합시켜 광학 나노섬유에 활용하는 방법을 개발하기 위한 다음 사항들을 해결하였다. (1) 고효율 테이퍼드(tapered) 유리 나노섬유의 제작 (2) 나노섬유와 단일 양자점을 통합시킬 수 있는 재현성 있는 기술의 개발 (3) 나노섬유와 공동(cavity) 구조의 통합 (4) 나노섬유의 공동 양자 전기역학(cavity quantum electrodynamics, QED) 실험 본 연구를 위해 인도, 베트남, 중국 및 뉴질랜드를 포함한 국제 연구팀이 함께 참여하였다. 연구팀은 테이퍼드 나노섬유를 제작하기 위한 장비를 개발하기 위해 산업계의 Ishihara Sangyo Inc.와 함께 작업했으며, 그 결과 99%의 빛을 투과시키는 400nm 지름의 테이퍼드 섬유를 제작할 수 있었다. 핵심기술은 콜로이드 용액에서 단일 양자점을 집어내어 나노섬유에 부착시키는 것이다. 이를 위해 컴퓨터로 조절되는 피코리터(pico-liter) 액체 디스펜서를 도립현미경(inverted microscope)에 결합시켰다. 광자 계수(Photon counting) 실험 결과, 단일 양자점이 3μm보다 뛰어난 공간 정확성을 가지고 위치시킬 수 있었으며, 더욱 중요하게도 최대 광 채널링 효율(photon channelling efficiency)이 이론 예측치인 22.0%로 측정되었다는 점이다. 게다가, 연구팀은 공동 구조를 활용해 광 채널링 효율을 향상시키는 독특한 방법도 개발하였다. 연구팀은 두 가지 기법을 개발하고 있다. 연구팀은 펨토초(femto second) 레이저를 사용해 고도로 정렬된 나노크레이터(nanocrater)를 갖는 광 결정 나노섬유(photonic crystal nanofiber)를 제작하였다. 연구팀은 나노섬유의 음영 부위에 매우 일정하게 형성된 크레이터가 형성되었음을 확인하고 놀랐다고 밝혔다. 아마도 나노섬유 자체의 렌즈효과(lensing effect) 때문으로 여겨진다. 또한 외부에 나노격자 구조의 공동을 갖는 복합재료 나노섬유를 개발하고 있다. 이런 복합재료 나노섬유 공동을 사용하여, 단일 양자점을 갖는 cavity QED를 선보일 수 있었다. 본 연구결과는 cavity QED에 새로운 패러다임을 제공할 수 있으며, 양자 인터넷(quantum internet) 등의 분야에 기초를 다지는데 도움이 될 것으로 여겨진다. 게다가 펨토초 레이저는 광 결정 나노섬유 공동을 제작하는데 사용됨으로써, 차세대 인터넷 통신을 위한 기본적인 도구인 단일 광자를 다양하게 조작할 수 있는 기법을 현실화할 수 있다. 그림> 나노 광섬유 및 나노격자구조를 결합시켜 만든 광 결정 공동. 단일 양자점의 강도 스펙트럼에서, cavity QED 효과를 보여주는 공명(cavity resonance)이 강하게 나타나고 있다. References> R. R. Yalla, M. Sadgrove, K. P. Nayak, and K. Hakuta. "Cavity quantum electrodynamics on a nanofiber using a composite photonic crystal cavity," Phys. Rev. Lett. 113, 143601 (2014). K. P. Nayak, P. Zhang, and K. Hakuta, "Optical nanofiber based photonic crystal cavity," Opt. Lett. 39, 232 (2014). M. Sadgrove, R. R. Yalla, K. P. Nayak, and K. Hakuta. "Photonic crystal nanofiber using an external grating," Opt. Lett. 38, 2542 (2013). K. P. Nayak and K. Hakuta, "Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique," Opt. Express 21, 2480 (2013). R. R. Yalla, Fam Le Kien, M. Morinaga, and K. Hakuta, "Efficient channeling of fluorescence photons from single quantum dots into guided modes of optical nanofiber," Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012). R. R. Yalla, K. P. Nayak, and K. Hakuta, "Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber," Opt. Express 20, 2932 (2012). quantum.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38561.p