울트라패스트 양자 광전자 연구실은 초고속 광분광학과 나노구조 반도체 물리의 융합을 통해, 저차원 반도체 나노구조 내에서 발생하는 다양한 집단적 양자현상과 비선형 광학 현상을 심도 있게 연구하고 있습니다. 본 연구실은 양자와이어, 양자점, 양자링 등 다양한 나노구조를 대상으로, 광여기된 전자, 정공, 엑시톤의 동역학을 펨토초 시간 척도로 측정하고, 이로부터 쿨롱 상호작용, 교환 및 상관 효과 등 근본적인 다체 효과를 규명합니다.
특히, 엑시톤-폴라리톤의 비선형 광학 특성에 주목하여, 강한 광-물질 상호작용이 유도하는 비국소 유전 응답, 공간 분산, 그리고 양자 상태의 결맞은 조작 기술을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 광전자 소자, 양자정보 처리, 고효율 광원 및 센서 개발 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 또한, 펨토초 레이저 펄스와 결맞은 광원 제어 기술을 활용하여, 나노구조 내에서의 비선형 광학 현상과 집단적 양자 효과를 실시간으로 관찰하고 있습니다.
연구실은 실험적 분광법과 이론적 모델링을 결합하여, 나노구조의 형상 및 크기 변화에 따른 광학적 응답의 변화, 국소화된 상태의 편광 특성, 광이득, 자화 및 위상 변조 현상 등도 심도 있게 분석합니다. 또한, 다양한 나노소재(페로브스카이트, 금속-반도체 하이브리드, 2차원 반도체 등)와 바이오-나노 융합 시스템에 대한 광학적 특성 연구도 활발히 진행 중입니다.
이러한 연구는 양자광학, 나노포토닉스, 양자정보과학 등 첨단 융합 분야와 밀접하게 연계되어 있으며, 국제 공동연구 및 산업체 협력 프로젝트를 통해 실용화와 기술 이전에도 적극적으로 참여하고 있습니다. 궁극적으로는 양자기반 광전자 소자, 고성능 광센서, 차세대 디스플레이 및 조명, 바이오 이미징 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술 개발과 학문적 성과를 창출하고 있습니다.
연구실은 국내외 유수의 연구기관 및 대학과 협력하여, 국제적 수준의 연구 역량을 갖추고 있으며, 차세대 광전자공학 및 양자기술의 발전을 선도하는 연구 거점으로 자리매김하고 있습니다.
본 연구실은 초고속 광분광학을 활용하여 수백 펨토초의 시간 척도에서 광여기된 자유 운반자와 엑시톤의 동역학을 정밀하게 측정합니다. 이를 통해 양자와이어, 양자점, 양자링 등 저차원 반도체 나노구조 내에서 발생하는 다양한 집단적 상호작용과 다체 효과를 규명하고 있습니다. 특히, 쿨롱 상호작용, 교환 및 상관 효과와 같은 근본적인 물리 현상에 대한 이해를 심화시키고, 이로부터 새로운 광학적 특성과 동적 현상을 발견하고자 합니다.
이러한 연구는 실험적 분광법과 이론적 모델링을 결합하여, 양자구조 내에서의 전자, 정공, 엑시톤의 초고속 이동, 에너지 전달, 그리고 비평형 상태에서의 캐리어 동역학을 분석합니다. 다양한 나노구조의 형상 및 크기 변화에 따른 광학적 응답의 변화, 그리고 국소화된 상태의 편광 특성, 광이득, 자화 및 위상 변조 현상 등도 주요 연구 주제입니다. 또한, 펨토초 레이저 펄스와 결맞은 광원 제어 기술을 활용하여, 나노구조 내에서의 비선형 광학 현상과 집단적 양자 효과를 실시간으로 관찰하고 있습니다.
이 연구는 차세대 광전자 소자, 양자정보 처리, 고효율 광원 및 센서 개발 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 특히, 초고속 광분광학 기반의 정밀 측정 및 제어 기술은 반도체 나노소자의 성능 향상과 새로운 기능 구현에 핵심적인 역할을 하며, 미래 광전자공학 및 양자기술의 발전에 기여하고 있습니다.
엑시톤-폴라리톤 비선형성 및 양자정보기술
엑시톤과 빛의 강한 결합에 의해 생성되는 엑시톤-폴라리톤은 결정 내에서 비국소 유전 응답을 유도하며, 공간 분산 특성이 폴라리톤에 의해 매개됩니다. 본 연구실은 엑시톤-폴라리톤의 비선형 광학 특성에 주목하여, 이를 기반으로 한 차세대 광전자 소자 및 양자정보기술의 구현 가능성을 탐구하고 있습니다. 엑시톤의 양자 상태를 결맞게 조작하는 기술은 양자정보 및 양자컴퓨팅의 기본 빌딩블록으로 간주되며, 본 연구실은 이러한 양자 조작의 실현을 위한 실험 및 이론 연구를 병행하고 있습니다.
엑시톤-폴라리톤의 비선형성은 고감도 광검출기, 초고속 광스위치, 광위상 변조기 등 다양한 광전자 소자에 응용될 수 있습니다. 특히, 강한 광-물질 상호작용을 활용하여 단일 광자 수준에서의 양자 상태 제어, 비선형 광학 현상, 그리고 집단적 양자 현상(예: 위거 분자, 광학적 아하로노프-봄 진동 등)을 실험적으로 관찰하고, 이론적으로 해석합니다. 또한, 광학적 비선형성을 극대화하기 위한 나노구조 설계, 펄스 셰이핑, 자동화된 데이터 획득 및 제어 기술 등도 연구의 중요한 축을 이룹니다.
이러한 연구는 양자광학, 나노포토닉스, 양자정보과학 등 첨단 융합 분야와 밀접하게 연계되어 있습니다. 궁극적으로는 엑시톤-폴라리톤 기반의 양자정보 처리 소자, 고성능 광전자 소자, 그리고 새로운 양자기능성 소재 개발로 이어질 수 있으며, 미래 정보통신 및 광컴퓨팅 기술의 혁신을 선도할 수 있습니다.
Complex Refractive Index Spectrum of CsPbBr3 Nanocrystals via the Effective Medium Approximation.
Sang-Hyuk Park, Jungwon Kim, Minju Kim, Minwoo Kim, Robert A. Taylor, Kwangseuk Kyhm(*)
Nanomaterials, 2025
2
Water-Mediated Optical and Morphological Tuning of Highly Stable Orange-Emitting Mn-Doped Perovskite for White Light-Emission.
Akash V. Fulari, Sangeun Cho, Vijay Gopalan Sree, Sanghyuk Park, Ming Mei, Minju Kim, Atanu Jana, Deblina Das, Kwangseuk Kyhm(*), Hyunsik Im, R. Taylor
Journal of Colloid and Interface Science, 2025
3
Nanophotonic-enhanced photoacoustic imaging for brain tumor detection
Ali Rizwana, Badrinathan Sridharan, Jin Hyeong Park, Daehun Kim, Jean-Claude Vial, Kwangseuk Kyhm, Hae Gyun Lim
