서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[박홍규 교수팀] 카이랄 나노구조를 이용한 새로운 단일광자원 구현 (Science Advances 게재)

2024-05-27l 조회수 380

"Spin angular momentumencoded single-photon emitters in a chiral nanoparticlecoupled WSe2 monolayer"

우리 학부 박홍규 교수 연구팀은 남기태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원형 편광된 단일 광자를 발생시키는 새로운 단일 광자 발생기를 개발했다. 원자 두께만큼 얇은 2차원 물질인 텅스텐 다이셀레나이드 (WSe2) 단일층과 카이랄 금 나노입자를 결합해 제작된 나노 크기의 단일 광자 발생기에서 선형 편광의 단일 광자가 원형 편광으로 바뀌는 것을 성공적으로 관측했다단일 광자가 카이랄 금 나노입자와 어떻게 상호작용하는지에 따라 국소 플라즈몬 공명 현상이 변화하고, 오른쪽 원형 편광 혹은 왼쪽 원형 편광의 단일 광자가 발생함을 실험과 이론을 통해 입증했다. 이때 원편광도는 0.793으로 매우 큰 값으로 측정되었다. 또한, 나노입자를 배열로 제작하고 그 위에 2차원 물질을 전사하여 단일 광자 발생기의 배열 또한 성공적으로 구현했다. 기존에 비해 1/2000 정도로 크기가 작으면서 여러 단일 광자 발생기를 동시에 작동시킬 수 있음을 확인했다.
단일 광자의 편광 특성을 바꾸는 것으로 양자 정보를 효과적으로 조절할 수 있으므로 이 기술은 다양한 양자 분야에서 응용될 수 있다. 특히, 보안이 필수적인 군용 통신이나 첨단 산업에서 도청이 불가능한 양자 통신으로 확장할 수 있다. 또한, 양자 광 컴퓨터의 특성 제어를 보다 쉽고 간단한 디자인으로 구현할 수 있어, 양자 소자의 소형화 및 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다. 이 연구는 2024524일 세계적인 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재되었다.

Spin angular momentum (SAM)–encoded single-photon emitters, also known as circularly polarized single photons, are basic building blocks for the advancement of chiral quantum optics and cryptography. Despite substantial efforts such as coupling quantum emitters to grating-like optical metasurfaces and applying intense magnetic fields, it remains challenging to generate circularly polarized single photons from a subwavelength-scale nanostructure in the absence of a magnetic field. Here, we demonstrate single-photon emitters encoded with SAM in a strained WSe2 monolayer coupled with chiral plasmonic gold nanoparticles. Single-photon emissions were observed at the nanoparticle position, exhibiting photon antibunching behavior with a g(2)(0) value of ~0.3 and circular polarization properties with a slight preference for left-circular polarization. Specifically, the measured Stokes parameters confirmed strong circular polarization characteristics, in contrast to emitters coupled with achiral gold nanocubes. Therefore, this work provides potential insights to make SAM-encoded single-photon emitters and understand the interaction of plasmonic dipoles and single photons, facilitating the development of chiral quantum optics.

Authors: Soon- Jae Lee, Jae- Pil So, Ryeong Myeong Kim, Kyoung- Ho Kim, Hyun- Ho Rha, Gunwoo Na, Jeong Hyun Han, Kwang- Yong Jeong, Ki Tae Nam, Hong- Gyu Park
Publication date: 24 May 2024
Link: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7210
https://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=20240527010013697
https://www.dongascience.com/news.php?idx=65604