[나건우 학생/박홍규 교수] 2차원 페로브스카이트 기반 단일광자 광원 최초 구현 (Nature Communications 게재)
서울대학교 박홍규 교수 연구팀과 Letian Dou 에모리대학교 교수, Peijun Guo 예일대학교 교수 공동 연구팀은 2차원 페로브스카이트의 고유한 저에너지 엣지 상태를 활용해, 공간적으로 국소화된 단일광자 방출을 세계 최초로 구현하는 데 성공하였다.
이번 연구에서 연구팀은 박리한 2차원 페로브스카이트 단결정의 가장자리에 밴드갭보다 낮은 에너지의 빛을 조사하고, 광발광 이미징 및 분광 분석을 통해 빛의 방출 특성을 정밀하게 관찰하였다. 그 결과, 서브밴드갭 여기 조건에서 결정 가장자리의 특정 위치에서만 밝은 발광점이 나타났으며, 이 발광점이 한 번에 광자 하나씩만 방출하는 단일광자 방출원으로 작동함을 확인하였다. 이는 2차원 페로브스카이트에서 단일광자 방출이 가능함을 보여준 첫 사례이다.
연구팀은 이러한 현상의 원인도 함께 규명하였다. 서브밴드갭 여기 조건에서는 전하 운반자가 결정 가장자리에 형성된 저에너지 엣지 상태를 따라 이동하면서, 밴드갭 내부의 더 깊게 구속된 상태에 효율적으로 도달하게 된다. 이 과정은 다른 경쟁적인 방출 경로를 억제하고, 결과적으로 보다 선택적인 단일광자 방출을 유도한다. 다시 말해, 2차원 페로브스카이트의 엣지 상태가 양자 방출원을 드러내는 통로 역할을 한다는 점을 보여준 것이다.
이번 성과는 2차원 페로브스카이트를 새로운 단일광자 광원 플랫폼으로 제시하며, 향후 양자 통신과 양자 컴퓨팅용 소자 개발에 활용될 가능성을 보여준다.
Abstract: Two-dimensional perovskites, an emerging family of van der Waals materials with an innate quantum-well structure, exhibit remarkable optical characteristics and compositional tunability. However, their potential as a source for quantum emitters remains unexplored. Here, we investigate low-energy ‘edge states’ unique to two-dimensional perovskites using comprehensive photoluminescence imaging and spectroscopy, to further leverage them towards uncovering quantum emitters. In contrast to above-bandgap excitation, spatially localized single-photon emitters are realized through sub-bandgap energy excitation at the edges in exfoliated single crystals. Specifically, the sub-bandgap excitation facilitates efficient access to deeply confined states within the bandgap, as charge carriers can channel through low-energy edge states while inhibiting competing processes. Furthermore, we demonstrate single-photon emitters from artificially created edges via strain as well as from two-dimensional perovskites with different quantum-well thicknesses. Our findings provide promising opportunities in the development of two-dimensional quantum emitters, where two-dimensional perovskites may provide added functionalities with versatility in material design, fabrication, and scalability.
논문제목: Single-photon emission from two-dimensional perovskites channeled through low-energy edge states