[비욘드포스트 이봉진 기자] 차세대 반도체 소재인 '2차원 페로브스카이트'에서 빛의 입자가 증폭되어 색이 변하는 '이광자 공명 라만 산란(Two-photon resonant Raman scattering, TRRS)'현상이 세계 최초로 확인됐다.

극저온에서만 나타나던 기존의 한계를 깨고 액체질소 온도(영하 183도)에서 현상 구현에 성공하면서, 상온에서 작동하는 미래 양자 광통신 및 광소자 상용화를 크게 앞당길 전망이다.
서강대학교(총장 심종혁)는 물리학과 장준익 교수 연구팀(제1저자: 물리학과 신승한 석·박사통합과정, 남서현 석사)이 연세대학교와의 공동 연구를 통해 이 같은 성과를 냈다고 27일 밝혔다.

이번 연구 결과는 지난 25일 응용물리 분야 국제 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈Advanced Functional Materials(2025년 기준 JCR Impact Factor 19.0, 상위 4.8%)’에 게재됐다.

스마트폰, 카메라, LED 조명, 태양전지 등 현대 광학 기술의 핵심은 '빛과 물질의 상호작용'이다. 연구팀이 규명한 TRRS 현상은 두 개의 광자가 반도체에 동시에 흡수된 뒤, '쌍엑시톤(biexciton)'이라는 특수한 불안정 상태를 거쳐 원래와 다른 파장의 빛을 방출하는 원리다.

연구팀은 이를 "두 사람이 트램펄린에서 동시에 뛰어오를 때 한 사람이 훨씬 높이 튀어 오르는 양자역학적 현상"에 비유했다. 지금까지 이 현상은 일부 와이드갭 반도체를 영하 269도 수준의 액체 헬륨 온도로 극저온 냉각해야만 관측할 수 있었다.

하지만 연구팀은 2차원 페로브스카이트 특유의 강한 양자적, 유전적 구속 효과를 이용해 영하 183도(약 90K) 환경에서도 이를 성공적으로 유도해 냈다. 아울러 현상 발현에 필요한 빛의 세기, 온도 범위, 편광 조건까지 체계적으로 규명하는 성과를 거뒀다.

이번 연구는 2차원 페로브스카이트가 비선형 광학 현상을 연구하는 새로운 플랫폼으로 기능할 수 있음을 입증했다는 데 큰 의의가 있다. 향후 정밀 엑시톤 공명 분광 및 양자 광통신 응용 기술 등으로의 확장이 기대된다.

연구팀은 "브롬이나 염소계 페로브스카이트로 소재를 전환하면 더 높은 온도에서도 현상 구현이 가능할 전망"이라며 "단층 전이금속 디칼코게나이드 등 여타 2차원 소재로의 확장 가능성도 열려 있어, 궁극적으로 상온에서 동작하는 양자 광학 소자 개발에 중요한 이정표가 될 것"이라고 강조했다.

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