넓은 밴드갭 결정에서의 결함은 양자 광자(photonic) 응용을 가능하게 하는 색중심(color center)을 수용하는 유망한 플랫폼으로 부상하였다. 그중에서도 층상(반데르발스) 물질인 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)는 이종구조에 통합될 수 있는 능력으로 두드러지며, 이를 통해 p-n 접합의 필요성을 우회하는 비전형적인 전하 주입 메커니즘을 가능하게 한다. 이러한 진전은 큰 hBN 밴드갭 내부 깊은 곳에 존재하는 hBN 색중심을 전기적으로 여기(excitaion)할 수 있게 하였고, 최근 개발들에서 급속한 발전이 있었다. 여기서는 전기적 여기(electrical excitation)에 적합한 협대역 색중심을 생성하는 hBN 전계발광(electroluminescence, EL) 장치를 제작한다. 색중심은 장치 제작 과정에서 설계된 hBN 박막 내 터널링 전류 핫스팟(tunneling current hotspots)에 국소화된다. 우리는 배경 발광(background emission)을 최소화하고 장시간의 작동을 보장하기에 초점을 맞추어, 장치 구동의 최적 조건과 색중심의 안정성을 제시한다. 본 연구 결과는 기존 문헌을 후속하는 것으로, hBN 기반 색중심을 양자 광자 기술에 통합하는 데 한 걸음 더 나아가게 한다.

레이저장이 브릴루앙 영역 전반에 걸쳐 계곡(valley)로부터 전자를 방출시킨다. 섭동적(perturbative) 영역에서는 계곡에서의 밴드간 공명(interband resonances)이 다중 광자 여기(multi-photon excitations)를 통해 고조파 생성을 향상시킨다. 강한 장(strong-field) 영역에서는 고조파 생성이 브릴루앙 영역의 다양한 지점들—K/K' 계곡에서 멀리 떨어진 영역을 포함—을 점유하는 레이저-장 구동 전자들의 양자 간섭(quantum interferences)에 의해 민감하게 제어된다. 우리의 실험 관측은 양자 시뮬레이션과 강하게 일치하며, 그 해석을 검증한다. 본 연구는 2차원 육방(hexagonal) 시스템에서 레이저 구동 양자 간섭을 활용하기 위한 새로운 경로와, 강한 장 비선형 광학(strong-field nonlinear optics)을 통해 브릴루앙 영역 전반에서 전자 구조를 점유하고 읽어내기 위한 올-광(all-optical) 기법을 제안하며, 양자 기술을 진전시킨다.

https://2DMat.ChemDX.org는 2차원(2D) 물질 연구를 위해 맞춤화된 종합 데이터 플랫폼으로, 전문화된 데이터 관리, 시각화 및 머신러닝 도구를 통해 실험 데이터를 처리하고 분석하는 데 중점을 둔다.

넓은 밴드갭을 갖는 물질에서의 결함은 고체 양자 광학 기술을 위한 유망한 후보로 부상하고 있다. 단일 발광체에 대한 전기적 여기(electrical excitation)는 확장 가능한 온칩(on-chip) 소자를 가능하게 할 수 있어 매우 바람직하게 여겨진다. 그러나 대부분의 넓은 밴드갭 물질은 효율적인 도핑(doping)에 적합하지 않아 전기적 여기 및 온칩 통합에 어려움이 있다. 본 연구에서는 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)에서 가시광 및 근적외 영역의 색중심(color centers)으로부터의 협대역 전기발광(electroluminescence)을 시연한다. 우리는 그래핀- hBN- 그래핀의 반데르발스(van der Waals) 터널 접합(van der Waals tunnel junctions)을 활용한다. 전하 운반체를 전기적으로 hBN에 주입하여, 제2차 상관관계(second order correlation) 측정으로 규명되는 비고전적(nonclassical) 빛을 방출하는 국소화 결함을 여기시킨다. 주목할 만하게도, 소자는 상온에서 동작하며 가시광에서 근적외까지 이르는 범위에서 견고하고 협대역의 발광을 생성한다. 본 연구는 vdW 물질과 통합 양자 기술 및 온칩 포토닉 회로를 위한 그 유망한 특성에 대한 중요한 이정표를 마련한다.

넓은 밴드갭 결정에서의 결함은 양자 광자(photonic) 응용을 가능하게 하는 색중심(color center)을 수용하는 유망한 플랫폼으로 부상하였다. 그중에서도 층상(반데르발스) 물질인 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)는 이종구조에 통합될 수 있는 능력으로 두드러지며, 이를 통해 p-n 접합의 필요성을 우회하는 비전형적인 전하 주입 메커니즘을 가능하게 한다. 이러한 진전은 큰 hBN 밴드갭 내부 깊은 곳에 존재하는 hBN 색중심을 전기적으로 여기(excitaion)할 수 있게 하였고, 최근 개발들에서 급속한 발전이 있었다. 여기서는 전기적 여기(electrical excitation)에 적합한 협대역 색중심을 생성하는 hBN 전계발광(electroluminescence, EL) 장치를 제작한다. 색중심은 장치 제작 과정에서 설계된 hBN 박막 내 터널링 전류 핫스팟(tunneling current hotspots)에 국소화된다. 우리는 배경 발광(background emission)을 최소화하고 장시간의 작동을 보장하기에 초점을 맞추어, 장치 구동의 최적 조건과 색중심의 안정성을 제시한다. 본 연구 결과는 기존 문헌을 후속하는 것으로, hBN 기반 색중심을 양자 광자 기술에 통합하는 데 한 걸음 더 나아가게 한다.

레이저장이 브릴루앙 영역 전반에 걸쳐 계곡(valley)로부터 전자를 방출시킨다. 섭동적(perturbative) 영역에서는 계곡에서의 밴드간 공명(interband resonances)이 다중 광자 여기(multi-photon excitations)를 통해 고조파 생성을 향상시킨다. 강한 장(strong-field) 영역에서는 고조파 생성이 브릴루앙 영역의 다양한 지점들—K/K' 계곡에서 멀리 떨어진 영역을 포함—을 점유하는 레이저-장 구동 전자들의 양자 간섭(quantum interferences)에 의해 민감하게 제어된다. 우리의 실험 관측은 양자 시뮬레이션과 강하게 일치하며, 그 해석을 검증한다. 본 연구는 2차원 육방(hexagonal) 시스템에서 레이저 구동 양자 간섭을 활용하기 위한 새로운 경로와, 강한 장 비선형 광학(strong-field nonlinear optics)을 통해 브릴루앙 영역 전반에서 전자 구조를 점유하고 읽어내기 위한 올-광(all-optical) 기법을 제안하며, 양자 기술을 진전시킨다.

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넓은 밴드갭을 갖는 물질에서의 결함은 고체 양자 광학 기술을 위한 유망한 후보로 부상하고 있다. 단일 발광체에 대한 전기적 여기(electrical excitation)는 확장 가능한 온칩(on-chip) 소자를 가능하게 할 수 있어 매우 바람직하게 여겨진다. 그러나 대부분의 넓은 밴드갭 물질은 효율적인 도핑(doping)에 적합하지 않아 전기적 여기 및 온칩 통합에 어려움이 있다. 본 연구에서는 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)에서 가시광 및 근적외 영역의 색중심(color centers)으로부터의 협대역 전기발광(electroluminescence)을 시연한다. 우리는 그래핀- hBN- 그래핀의 반데르발스(van der Waals) 터널 접합(van der Waals tunnel junctions)을 활용한다. 전하 운반체를 전기적으로 hBN에 주입하여, 제2차 상관관계(second order correlation) 측정으로 규명되는 비고전적(nonclassical) 빛을 방출하는 국소화 결함을 여기시킨다. 주목할 만하게도, 소자는 상온에서 동작하며 가시광에서 근적외까지 이르는 범위에서 견고하고 협대역의 발광을 생성한다. 본 연구는 vdW 물질과 통합 양자 기술 및 온칩 포토닉 회로를 위한 그 유망한 특성에 대한 중요한 이정표를 마련한다.

강한 레이저 장에서는 고체 내 전자들이 하위 레이저 주기 시간 스케일에서 블로흐 에너지밴드 내 양자 경로를 따라 이동하면서 고조파(high-harmonic) 전자기장을 방사한다. 고조파 방사선을 통해 운동량 공간에서 이러한 경로를 이해하면, 최근 반도체에서 시연된 바와 같이, 위상적으로 결맞는 광파 구동 과정의 관찰과 전자 구조의 측정을 가능하게 하는 전(全)광학 초단(ultrafast) 프로브를 구현할 수 있다. 그러나 이러한 시연은 밴드갭의 부재로 인해 정확한 경로에 대한 실험적 규명이 어렵기 때문에 대체로 준금속(semimetals)에서는 제한되어 왔다. 본 연구에서는 화학퍼텐셜에 대한 전기정(電氣靜的) 제어와 HHG 측정을 결합하여, 강한 레이저 장 하에서 그래핀의 질량이 없는 디랙 페르미언의 양자 경로를 해석한다. HHG의 전기적 변조는 다중 광자 간(interband) 여기 채널 사이의 양자 간섭을 드러낸다. 빛-물질 상호작용이 섭동적(perturbative) 영역을 벗어나면서, 타원편광 레이저 장은 간밴드와 인밴드 전이(intraband transitions) 사이의 정교한 결합을 통해 질량이 없는 디랙 페르미언을 효율적으로 구동하며, 이는 우리의 이론적 계산으로 뒷받침된다. 본 연구 결과는 게이트 제어를 통한 다양한 양자 준금속에서 디랙 전자의 강한 레이저장 단층촬영(tomography)과 초고속 전자 동역학을 위한 길을 열어준다.

좁은 밴드갭 반도체 또는 준금속에서 전자와 정공 사이의 쿨롱 인력이 여기자(insiton) 절연체(excitonic insulator)로 명명된, 포착하기 어려운 물질상을 유도할 것으로 예측된다. 그러나 이러한 전자적 불안정성의 직접 관측은 극히 드물다. 여기서 우리는 라만 분광법을 사용하여 후보 물질 Ta2NiSe5에서 정적 여기자 소거자(exciton) 감수성의 개시적 발산이 관측되었음을 보고한다. 여기자 질서 매개변수의 임계 요동은 B2g 대칭의 준탄성 산란을 유발하며, 그 세기는 TW ≈ 241 K인 바이스 온도(Weiss temperature)를 향해 온도가 내려갈수록 역비례로 증가한다. 이러한 현상은 동일한 대칭을 갖는 음향 포논에 의해 유도되는 구조적 상전이로 인해 TC = 325 K에서 억제된다. 동시에, B2g 광학 포논은 TC 부근에서 그 흔적이 거의 보이지 않을 정도로 강하게 감쇠된다. 이는 전자-포논 결합이 매우 강함을 나타내며, 이로 인해 저온 상이 여기자 절연체로 확인되는 일이 10년 이상 가려져 왔다. 우리의 결과는 상전이의 전자적 기원을 명확히 규명한다.

경쟁하는 전자 질서의 인근에서 나타나는 초전도성은 종종 상(phase)도에서 가정된 양자 임계점(quantum critical point)을 중심으로 하는 초전도 돔(superconducting dome) 형태로 관측된다. 이러한 공통된 특징은 많은 비정상(unconventional) 초전도체에서 발견되며, 모(母) 질서의 변동 또는 부분적 용융(partial melting)이 초전도를 유도하거나 강화하는 데 필수적이라는 널리 퍼진 시나리오를 뒷받침해 왔다. 본 연구에서는 이에 반하는 예를 제시하고자 한다. 그 예로, IrTe2 나노플레이크(nanoflakes)에서 초전도 돔이 두께 의존적 상도(thickness-dependent phase diagram)상에서 모(母) 줄무늬 줄무늬 전하 정렬(parent stripe charge ordering) 상(phase) 내부에서 뚜렷이 확인된다. IrTe2 나노플레이크에서 공존하는 줄무늬 전하 질서는 도핑된 벌크(bulk) IrTe2와 대비하여, 초전도의 상(plane) 밖(out-of-plane) 상관 길이(coherence length)와 결합 강도(coupling strength)를 유의하게 증가시킨다. 이러한 결과는 IrTe2에서 모 줄무늬 상의 고유한 불안정성만으로도 초전도를 유도할 수 있으며, 그 완전 또는 부분 용융이 필수는 아님을 명확히 한다. 본 연구는 두께 제어(thickness control)가 상관된 층상(van der Waals) 물질의 고유 상도(intrinsic phase diagrams)를 드러내는 효과적인 수단임을 보여준다.

이황화몰리브덴과 같은 전이금속 디칼코게나이드(monolayers) 단일층은 2차원 캐리어 수송을 위한 잠재적 플랫폼이다. 그러나 단결정 단일층 채널을 일방향 응집 에피택시(unidirectional coalescence epitaxy)를 사용하여 웨이퍼 스케일에서 성장시키는 것은 가능하지만, 유사한 스케일에서의 일관성 있는 2차원 수송(coherent two-dimensional transport)을 구현하는 일은 여전히 어렵다. 이는 주로 여러 결정립이 응집(coalesce)할 때 나타나는 1차원 연장 결함 및 점 결함과 같은 잔류 결정 결함의 존재 때문이다. 여기서는 벌집판(vicinal) 사파이어 기판에서 응집(coalescence) 동역학 제어를 통해 이러한 결함을 최소화하여 웨이퍼 스케일에서 단결정 이황화몰리브덴 단일층을 에피택셜 성장시키는 방법을 보고한다. 그 결과 얻어진 채널은 저온에서 약한 국소화(weak localization)와 양자 홀 효과(quantum Hall effects)의 발현 개시(onset)를 나타내는 등 일관성 있는 수송을 보였으며, 홀 이동도(Hall mobility)는 1,200 cm2 V−1 s−1였다. 이러한 일관성 있는 채널을 이용하여 전계효과 트랜지스터(field-effect transistors) 배열을 제작했으며, 이들은 평균 이동도 약 100 cm2 V−1 s−1과 실온에서 최소 부문턱스윙(minimum subthreshold swing) 약 65 mV dec−1을 나타냈다. 벌집판 사파이어 기판에서 다수의 일방향 결정립을 응집시키는 과정을 제어함으로써, 큰 길이 스케일에서 일관성 있는 양자 수송을 보이는 단결정 이황화몰리브덴의 웨이퍼 스케일 채널을 성장시킬 수 있다.

하이퍼볼릭 미디어는 하이퍼렌징(hyperlensing), 음의 굴절(negative refraction), 향상된 광자 밀도 상태(photonic density of states, PDOS), 그리고 강하게 국소화된 폴라리톤을 포함하는 독특한 광학 현상을 가능하게 한다. 대부분의 하이퍼볼릭 미디어는 인공적으로 설계된 메타물질이지만, 극단적인 이방성을 갖는 일부 자연 물질은 하이퍼볼릭 분산을 나타낼 수 있다. 여기서는 강하고 비등방성인 엑시톤 공명에 의해 유도된 심자외선(deep-ultraviolet, DUV) 영역에서 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)의 자연 하이퍼볼릭 분산에 대한 최초 관측을 보고한다. 영상 분광 타원편광계(imaging spectroscopic ellipsometry, ISE)를 사용하여, 190 nm(6.53 eV)까지의 범위에서 면내 및 면외 방향에 대한 복소 유전율을 규명하고, DUV 영역에서의 제2형(type-II) 하이퍼볼릭 윈도우를 확인하였다. 이러한 하이퍼볼리시티는 높은 방향성과 느린 군속도를 갖는 하이퍼볼릭 엑시톤 폴라리톤(hyperbolic exciton polaritons, HEP)을 지지한다. 본 연구 결과는 hBN을 기술적으로 중요한 DUV 스펙트럼 범위에서의 나노포토닉스 응용을 위한 유망한 플랫폼으로 정립한다.