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- 새로운 시간 결정은 포토닉스의 변환기로 사용될 수 있다.
- 장점은 관련 재료가 반도체이고 광자 구성 요소와 호환된다는 것
- 포토닉스에 적용, 임의로 큰 격자로 확장할 수 있는 가능성

반도체 칩의 똑딱거리는 시간 결정체
물리학자들이 기가헤르츠(GHz) 주파수를 가진 최초의 반도체-타임-크리스탈을 만들었다.

똑딱거리는 반도체:
물리학자들이 처음으로 기가헤르츠 주파수에서 '똑딱' 신호를 내는 마이크로칩에 타임 크리스탈(time cristal)을 만들었다. 규칙적으로 진동하는 시스템은 일반적인 반도체 갈륨-비소의 양자 트랩이 연속적인 레이저 광으로 들뜰 때 생성된다. 기가헤르츠 범위의 "틱"과 마이크로칩의 통합은 팀이 "Science"에서 보고한 것처럼 시간 결정체에 대한 새로운 응용 가능성을 열어줄 수 있다. 

▲ 물리학자들은 일반적인 반도체 갈륨 비소로부터 연속 시간 결정을 만들었다. © Paul-Drude 고체 전자 연구소

타임 크리스탈은 시간이 지남에 따라 상태의 규칙적인 변화를 보여주는 재료와 시스템이다. 예를 들어, 고정된 박자로 뒤집히는 원자의 스핀을 통해 "틱"한다. 수십 년 전에 이론적으로 가정되었던 이러한 시간 결정은 특별한 격자 결함이 있는 이테르븀 이온과 다이아몬드에 대해 2016년에야 실험적으로 입증됐다. 그 이후로 균일하고 비주기적인 자극을 받을 때 똑딱거리기 시작하는 시스템을 포함해 수많은 다른 시간 결정체가 생성됐다.

갈륨-비소의 양자 우물

이제 아르헨티나 바릴로체 원자 연구 센터(CAB-IB)의 Ignacio Carraro-Haddad가 이끄는 물리학자들은 특히 흥미로운 또 다른 유형의 타임 크리스탈을 만들었다. 그들은 처음으로 연속 시간 수정을 작은 반도체 칩에 통합하는 데 성공했다. 이 똑딱거리는 다체 시스템은 완전히 새로운 응용 가능성을 열어줄 수 있다. CAB-IB의 수석 저자인 Alejandro Fainstein은 “관련 재료는 통합 광소자와 호환되는 반도체다”고 설명했다.

구체적으로, 새로운 시간 결정체는 일반적인 반도체 재료인 갈륨-비소의 초박막 층으로 구성된다. 이는 *폴라리톤(polariton) 형태의 준입자를 잡아두는 역할을 하는 마이크로미터 크기의 상자를 형성한다. 이는 반도체의 전자와 정공이 레이저 광에 의해 들뜨개 돼 레이저 광의 광자와 상호 작용할 때 발생한다. 특정 조건에서 준입자가 결합돼 함께 작용하여 보스-아인슈타인 응축물을 형성한다.
*폴라리톤: 물리학에서 전기 또는 자기 쌍극자 excitation과 전자기파의 강한 결합으로 인해 생기는 준입자

초당 200억 진동

물리학자들이 이 폴라리톤 트랩에 연속 레이저를 조사하자 준입자가 진동하기 시작했다. 그들은 약 20기가헤르츠(초당 200억 번)의 주파수로 두 가지 특정 스핀 변형 사이에서 양자 상태를 변경했다. "이러한 동작은 시간 결정의 징후로 해석될 수 있다"라고 베를린에 있는 Paul Drude 고체 전자 연구소(PDI)의 공동 저자인 Alexander Kuznetsov는 말했다.

▲ 레이저 빛에 의해 지속적으로 자극을 받으면 타임 크리스탈이 규칙적이고 빠르게 진동한다. © Paul-Drude Institut für Festkörperelektroniks

이 주파수 범위에서 지속적인 진동이 반도체 부품의 응축수 샘플에서 관찰된 것은 이번이 처음이다. Kuznetsov는 “우리는 이전보다 몇 배 더 높은 주파수가 가능하다는 것을 보여주었다”고 설명했다. 이는 반도체 플랫폼에서 타임 크리스탈을 생성하고 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. “이번 결과는 개방형 다체 양자 시스템의 물리학에 새로운 차원을 추가했다”고 물리학자는 말했다.

포토닉스 분야에 적용 가능

동시에 이 새로운 유형의 타임 크리스탈은 구체적인 응용 분야에도 적용할 수 있는 길을 열어준다. "이 연구는 시간 결정체에 대한 접근 방식의 패러다임 전환을 나타낸다. 왜냐하면 이러한 연구를 국지화된 시간 결정체의 임의로 큰 격자로 확장할 수 있는 가능성을 보여주기 때문이다"고 Fainstein은 설명했다. 응용 분야의 또 다른 장점은 관련 재료가 반도체이고 광자 구성 요소와 호환된다는 것이다. 또한 이러한 시간 결정은 정보 및 양자 기술과 관련된 주파수에서 똑딱거린다.

예를 들어, 새로운 시간 결정은 포토닉스의 변환기로 사용될 수 있다. “근적외선 주파수 범위에서 기가헤르츠 포논과 광자 사이의 폴라리톤 강화 결합으로 인해 결과는 마이크로파와 광학 주파수”라고 Paul Drude Institute의 공동 저자인 Paulo Ventura Santos는 설명했다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.adn7087)
출처: 베를린 e.V 연구협회(FVB)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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