이 연구 주제는 WS2와 같은 전이금속 디칼코게나이드 계열의 2차원 반도체에서 나타나는 밸리 자유도를 광자의 스핀 및 진행 방향과 정밀하게 결합시키는 물리 현상을 다룬다. 연구실은 반도체 내 전자의 밸리 의사스핀 정보를 빛의 편광과 방향성으로 읽고 제어할 수 있는 메커니즘에 주목하며, 이를 통해 기존 전하 기반 정보처리를 넘어서는 새로운 광정보 처리 원리를 탐구하고 있다. 특히 초박막 반도체가 갖는 강한 엑시톤 응답과 선택 규칙은 밸리트로닉스와 광학을 연결하는 핵심 기반으로 활용된다. 연구 방법론 측면에서는 2차원 반도체층과 플라즈모닉 나노와이어, 유전체 도파로, 메타표면 등 나노광학 구조를 결합하여 빛의 스핀-궤도 상호작용을 극대화한다. 이를 통해 특정 손지음성을 가진 광학 스핀이 동일한 손지음성의 밸리 상태와 결합하면서 방향성 방출이나 비대칭 결합이 발생하는 현상을 실험적으로 구현한다. 이러한 접근은 on-chip 환경에서 밸리 정보를 손실 없이 전달하고 읽어내는 인터페이스 개발로 이어지며, 카이랄 광학 및 비가역적 광결합 현상 연구와도 밀접하게 연결된다. 이 연구의 의의는 2차원 반도체에서 생성된 양자 정보를 광자 채널로 직접 변환하여 집적형 광소자와 양자소자에 적용할 수 있다는 점에 있다. 장기적으로는 밸리 기반 논리소자, 광자 신호 라우팅, 초소형 광집적 회로, 양자정보 인터페이스 등으로 확장될 수 있으며, 반도체물리와 나노광학의 융합을 통해 차세대 저전력 광전자 기술의 기반을 제공한다. 또한 고효율 방향성 결합과 스핀-광자 잠금 현상은 양자광원 및 비선형 광학 플랫폼 설계에도 중요한 물리적 토대를 제공한다.

이 연구 주제는 2차원 반도체 내부의 강한 빛-물질 결합을 이용하여 엑시톤 폴라리톤을 형성하고, 이를 기반으로 새로운 광전자 소자와 응축 현상을 구현하는 데 초점을 둔다. 엑시톤 폴라리톤은 엑시톤과 광자가 결합한 준입자로서, 전자소자의 상호작용성과 광소자의 빠른 응답성을 동시에 지닌다. 연구실은 외부 공진기 없이도 2D 반도체 층에서 자발적으로 형성될 수 있는 폴라리톤 모드의 존재와 제어 가능성에 주목하며, 이를 차세대 저전력 광논리 기술로 발전시키고자 한다. 구체적으로는 다층 WS2와 같은 초박막 반도체 구조에서 유도된 도파 모드, 국소 변형률, 패터닝 구조, 메타안정 상태 등을 활용하여 폴라리톤의 분산관계와 공간적 구속을 설계한다. 이를 통해 일반적으로 응축이 어려운 분산 구조에서도 폴라리톤 응축이나 보즈-아인슈타인 응축에 가까운 집단 현상을 실험적으로 관측하고, 스위칭 및 트랜지스터 동작에 필요한 비선형 응답을 확보하려는 연구를 수행한다. 나아가 폴라리톤 홀 효과, 폴라리톤 스위치, 폴라리톤 논리소자 같은 응용으로 연결되는 소자 물리도 중요한 축을 이룬다. 이 분야의 성과는 전자소자의 집적성과 광소자의 속도를 결합한 새로운 정보처리 플랫폼을 열 수 있다는 점에서 의미가 크다. 특히 상온에서 구동 가능한 초박막 폴라리톤 소자와 레이저, 트랜지스터가 구현되면 에너지 효율이 높은 광연산 시스템과 차세대 반도체-광학 융합 칩 개발에 직접 기여할 수 있다. 또한 폴라리톤 응축 연구는 응집물질물리와 양자광학을 잇는 중요한 학술적 주제로서, 기초물리 이해와 응용소자 설계를 동시에 진전시키는 핵심 연구 축이라 할 수 있다.

이 연구 주제는 전이금속 디칼코게나이드와 같은 2차원 소재를 이용해 상온에서도 동작 가능한 양자광원을 구현하고, 이를 나노포토닉스 구조와 결합하여 집적형 양자광학 플랫폼으로 확장하는 데 초점을 맞춘다. 연구실은 단일 광자 방출, 스핀 상태 보존, 방향성 광결합과 같은 양자광학의 핵심 기능을 초박막 반도체 환경에서 실현하려고 하며, 기존 벌크 소재 기반 양자광원보다 더 높은 집적도와 설계 자유도를 확보하는 방향으로 연구를 전개하고 있다. 이는 차세대 양자통신, 양자센싱, 양자정보처리의 핵심 부품 개발과 직결된다. 연구 수행에서는 메타표면, 공진기, 디스크 구조, 나노와이어, 플라즈모닉 구조 등 다양한 나노광학 플랫폼을 활용하여 광자 밀도 상태를 조절하고 방출 효율을 증대시킨다. 특히 초박막 WS2 디스크에서의 레이징, 다층 반데르발스 소재의 나노포토닉스, 디랙 밴드 기반 유도 공진 연속체와 같은 연구는 2차원 소재의 광학 응답을 단순 발광 소재 수준을 넘어 능동형 광기능 소재로 확장하고 있음을 보여준다. 이러한 구조 설계는 단일 광자 방출의 효율 향상, 방출 방향 제어, 공진 증폭, 스핀 선택적 결합 등 다양한 양자광학 기능을 구현하는 기반이 된다. 미래적으로 이 연구는 실리콘 포토닉스나 집적 양자회로와 호환되는 초소형 광원, 레이저, 양자 인터페이스의 개발로 이어질 가능성이 높다. 특히 상온 동작성과 초박막 구조라는 장점은 실제 시스템 통합에 매우 유리하며, 양자광원-도파로-검출기 간의 온칩 연결을 현실화하는 데 핵심 역할을 할 수 있다. 또한 나노포토닉스와 2차원 소재의 결합은 기초 양자광학 실험을 넘어 실용적 양자소자 공학으로 이어지는 중요한 연구 방향으로 평가된다.