라이스 대학교 연구팀은 3D 광결정 공동(3D photonic-crystal cavity)이라는 특수 설계된 구조를 이용하여 빛의 상호작용을 제어하는 ​​새로운 방법을 개발했다. Nature Communications 저널에 게재된 이 연구는 양자 컴퓨팅, 양자 통신 및 기타 양자 기반 기술의 획기적인 발전을 가능하게 할 수 있는 기술의 기반을 마련했다.

라이스대 응용물리학 대학원 프로그램 동문이자 이 연구의 제1저자인 푸양 타이는 "거울로 둘러싸인 방에 서 있다고 상상해 보세요. 방 안에 손전등을 비추면 빛이 앞뒤로 반사되어 끝없이 퍼져 나갑니다. 이는 광 공동(optical cavity)의 작동 방식과 유사합니다. 광 공동은 반사 표면 사이에 빛을 가두어 특정 패턴으로 반사되는 맞춤형 구조입니다."라고 말했습니다.

이러한 불연속 주파수 패턴을 공동 모드라고 하며, 빛과 물질의 상호작용을 향상하는 데 사용될 수 있어 양자 정보 처리, 고정밀 레이저 및 센서 개발, 그리고 더 나은 광자 회로와 광섬유 네트워크 구축에 잠재적으로 유용하게 활용될 수 있다. 광 공동은 제작이 어려울 수 있으므로, 가장 널리 사용되는 광 공동은 더 단순하고 일차원적인 구조이다.

테이는 라이스 대학교 박사과정 동문인 알리 모집푸르를 비롯한 팀원들과 함께 복잡한 3D 광학 공동을 제작하고, 이를 이용하여 정적 자기장에 노출된 자유 운동 전자의 얇은 층과 여러 공동 모드가 어떻게 상호작용을 하는지 연구했다. 연구의 핵심 질문은 여러 공동 모드가 전자와 동시에 상호작용을 할 때 어떤 일이 일어나는가였다.

"전자는 서로 강하게 상호작용을 하지만 광자는 그렇지 않다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 이 공동은 빛을 가두고, 이는 전자기장을 강력하게 강화하며 빛과 물질 사이의 강력한 결합으로 이어져 소위 폴라리톤이라고 불리는 양자 중첩 상태를 생성합니다."라고 칼 F. 하셀만 공학 교수이자 전기 및 컴퓨터 공학, 재료 과학 및 나노 공학 교수이자 본 연구의 교신저자인 고노 준이치로가 말했다.

하이브리드 광-물질 상태라고도 불리는 폴라리톤은 매우 작은 규모에서 빛을 제어하고 조작하는 방법을 제시하며, 이를 통해 더 빠르고 에너지 효율적인 양자 컴퓨팅 및 통신 기술을 구현할 수 있다. 폴라리톤은 집단으로 행동하여 새로운 유형의 양자 회로와 센서에 사용할 수 있는 양자 얽힘 상태를 발생시킬 수 있다. 광자와 전자를 폴라리톤으로 결합하는 상호작용이 극도로 강하면, 즉 빛과 물질 사이의 에너지 교환이 너무 빨리 일어나서 소멸하지 않을 정도라면, 초강력 결합이라고 알려진 새로운 상태가 작용한다.

"초강력 결합은 빛과 물질이 깊이 혼합되는 특이한 상호작용 방식을 설명합니다." 현재 컬럼비아 대학교에서 박사후 연구원으로 재직 중인 테이의 말이다.

연구진은 테라헤르츠 방사선을 사용하여 3D 광학 공동 내부에서 공동 모드와 전자가 어떻게 결합하는지 관찰하고, 초저온 온도와 강력한 자기장의 필요성과 같은 실험적 과제를 해결했다. 그들은 서로 다른 공동 모드가 초강력 결합 체제에서 움직이는 전자와 상호작용을 할 뿐만 아니라 이 다중 모드 빛-물질 결합이 두 가지 형태의 상호작용 중 하나를 촉발하는 들어오는 빛의 편광에 따라 달라진다는 것을 발견했다.

"빛의 편광에 따라 공동 모드는 독립적으로 유지되거나 서로 혼합되어 완전히 새로운 하이브리드 모드를 형성합니다. 이는 서로 다른 공동 모드가 자기장 내의 전자를 통해 서로 '대화'하여 새로운 상관 상태를 생성하는 재료를 설계할 수 있음을 시사합니다."라고 테이는 말했다.

라이스 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 조교수이자 이번 연구의 공동 저자인 안드레이 베이딘은, 연구진이 처음에 주로 3D 광자 결정 공동이 빛-물질 결합을 증가시키는데 어떻게 작용하는지에 집중했지만, 이 설정을 이용하면 물질 매개 광자-광자 결합을 유도할 수 있다는 사실을 깨달았을 때 "아하 순간"이 왔다고 말했다. 연구원 코노는 "이러한 물질을 매개로 한 광자-광자 결합은 양자 계산과 양자 통신에서 새로운 프로토콜과 알고리즘을 개발하는 데 도움이 될 수 있다."라고 말했다.

전기 및 컴퓨터 공학 조교수인 알레산드로 알라바스트리는 그의 연구실의 박사후 연구원인 스티븐 샌더스와 함께 실험 중에 관찰된 재료 특성과 전자기장 역학을 재현하여 공동 구조의 시뮬레이션을 개발했다. 알라바스트리는 실험적인 측면과 시뮬레이션 측면을 이해하는 데 관심을 가진 테이를 칭찬했다. 알라바스트리는 "그는 실험주의자였지만, 제가 정말 흥미롭게 생각한 점은 그가 계산적인 부분도 배우려고 정말 열심히 노력했다는 점입니다."라고 말했다.

이 연구 결과는 빛-물질 상호작용과 초강력 광자-광자 결합을 공학적으로 다루는 새로운 접근법을 제공함으로써 초고효율 양자 프로세서, 고속 데이터 전송 및 차세대 센서를 개발하는 길을 열어준다. 라이스 대학교 스몰리-컬 연구소 소장인 코노는 "양자 현상이나 양자 상태는 매우 취약합니다. 공동 양자 전기역학은 양자 기술 분야에서 떠오르는 연구 분야로, 공동 설정이 양자 상태를 보호하고 활용할 수 있는 제어된 환경을 제공합니다. 라이스 대학교에서는 양자 과학 연구에 매우 적극적으로 참여하여 이 분야의 가장 큰 과제들을 해결하고 있습니다."라고 말했다.

본 연구는 미 육군 연구국(W911NF2110157), 고든 & 베티 무어 재단(11520), WM 케크 재단(995764), 그리고 로버트 A. 웰치 재단(C-1509)의 지원을 받았다. 본 자료의 내용은 전적으로 저자의 책임이며, 연구 지원 기관과 단체의 공식 견해를 대변하는 것은 아니다.

참조:
Fuyang Tay, Ali Mojibpour, Stephen Sanders, Shuang Liang, Hongjing Xu, Geoff C. Gardner, Andrey Baydin, Michael J. Manfra, Alessandro Alabastri, David Hagenmüller, Junichiro Kono. Multimode ultrastrong coupling in three-dimensional photonic-crystal cavities. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-58835-x