단광자로 스위칭 되는 고이득 광트랜지스터

       

단광자로 스위칭 되는 고이득 광트랜지스터

Jul 30, 2014, Hamish Johnston, physicsworld.com

단광자(單光子) 광트랜지스터(optical transistor)에서 리드버그(Rydberg, 리드베르그, 혹은 리드베르크) 원자가 어떻게 이용되는가를 보여주는 그림. 차단된 드레인 단자: 광자 한 개로 원자 트랜지스터가 상태 변환(스위칭)된다. 그림에서 붉은 점은 초저온 루비듐 원자 가스로 리드버그 원자가 궤도상에 전자(청색)로 표시되어 있다. 그림 왼쪽에서 접근하는 단 하나의 단광자(單光子)가 리드버그 원자에 저장되면서 위쪽 광원(소스 단자)에서 나오는 광자들이 아래쪽 드레인 단자에 도달하지 못하고 차단된다. (Courtesy: MPQ, Quantum Dynamics Division)

 

   서로 독립적인 독일의 두 물리학자들이 각각 단 한 개의 광자를 이용하여 스위칭 가능한 최초의 고이득(高利得, high gain) 안테나를 만들었다. 초저온 원자 가스를 기반으로 한 이들 디바이스는 ‘리드버그 차단(Rydberg blockade)’ 방식을 이용한다. 높은 에너지로 여기(勵起, excited)된 상태의 리드버그 원자는 주변의 가스가 빛을 전달할 수 있는 능력에 아주 큰 영향력을 미친다. 이 연구로 종래 전자회로보다 훨씬 빠르게 작동하는 전광(全光, all-optical) 논리 회로 개발이 나올 수 있다. 이 트랜지스터는 또한 앞으로 광자 기반의 양자 정보 시스템에서 사용될 수도 있다.

    빛만을 사용하여 정보를 저장하고 처리하는 통신 및 전산 시스템은 전자신호를 사용하는 시스템보다 빠를 수 있고 에너지 효율도 훨씬 높다. 광섬유는 이미 널리 보급되었지만, 그러나 광학적으로 인코딩된 데이터의 스위칭과 프로세싱에서는 보통 광 펄스를 전자 신호로 변환하여 프로세싱 된다. 그렇게 처리된 다음에 전자 신호가 다시 광 펄스로 복구되는 것이다.

광자 상호작용을 일으키기

    이처럼 시간이 걸리고 에너지 소모가 심한 프로세스가 필요한 까닭은 광자들이 서로 상호작용하지 않기 때문이다. 그래서 전광(全光, all-optical) 소자의 디자인은 현재 물리학자들과 공학자들에게 중대 도전 과제다. 지난 수 년 동안 여러 연구 그룹에서 이 분야에 돌파구를 만들었는데, 특별히 준비된 초저온 원자 가스 샘플에서 광자들이 서로 상호작용을 일으킬 수 있음을 보여주었다.

    슈트트가르트 대학의 세바스티안 호퍼버쓰(Sebastian Hofferberth)가 이끄는 연구팀과 막스플랑크 양자광학 연구소 스테판 뒤르(Stephan Dürr) 연구팀은 각각 단 한 개의 게이트 광자가 20개나 되는 광자들의 흐름을 스위칭 할 수 있음을 보였다. 20이라는 게인(gain, 이득률)은 이전까지 나온 광 스위치 대비 엄청나게 개선된 것이며, 기존 광 스위치에서는 1보다 큰 게인을 얻으려면 여러 개의 게이트 광자 펄스가 필요하거나 반대로 게이트 광자 펄스가 단 한 개일 경우 1보다 훨씬 낮은 게인이 나온다.

    두 팀 모두 1mK(1 밀리 켈빈, 0.001K) 이하로 냉각된 루비듐 원자 가스를 게이트로 사용했다. 보통 가스(원자 가스)는 소스 광자 빔 입장에서 보면 투명하여, 광트랜지스터를 지나 드레인 게이트로 빠져나간다.

드레인 차단

    게이트 광자가 원자 가스 쪽으로 발사되면, 어느 한 원자에 흡수되고 해당 원자를 높은 에너지로 여기된 리드버그 원자가 되게 하면서 아주 큰 궤도에 전자 하나가 놓이게 된다. 이때 전자와 핵 간의 거리가 멀기 때문에 매우 큰 전기쌍극자 모멘트가 원자에 생기고, 그 때문에 인근 원자들의 에너지 준위를 이동시킨다. 이 같은 에너지 준위의 이동은 소스 쪽에서 볼 때 원자 가스가 불투명한 상태로 만들어, 실질적으로 트랜지스터를 스위치 오프 시킨다. 리드버그 상태는 약 1 마이크로세컨드 동안 지속되는데, 원자 시스템에서의 1 마이크로세컨드는 매우 긴 시간이다. 따라서 뒤르와 그의 동료들은 그들의 트랜지스터를 써서 20개의 소스 광자들을 차단시켰고 호퍼버쓰 연구팀은 10개의 소스 광자가 드레인 단자에 도달하지 못하게 막았다.

    뒤르에 따르면 이 같은 트랜지스터를 연속적으로 연결하면 원칙적으로 복잡한 연산 작업을 해낼 수 있다고 한다. 그리고 이 실험은 또한 물리학자들에게 새로운 비파괴적인 리드버그 상태 연구를 할 수 있도록 한다. 그리고 단 한 개의 광자, 즉, 단광자(單光子) 수준에서 작동할 수 있다는 것은 안전한 양자 통신 시스템이나 강력한 양자 컴퓨터 같은 양자 정보 응용 분야에 사용될 수 있음을 의미한다.

   이 디바이스의 또 다른 흥미로운 측면은 리드버그 상태가 붕괴되면 게이트 광자가 다시 재복사(re-emit) 된다는 점이다. 다른 실험에서 이미 관찰된 효과다. 원칙상, 이것은 트랜지스터가 또한 양자 정보 저장 디바이스로도 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

 

[출처] 단광자로 스위칭 되는 고이득 광트랜지스터|작성자 HANS

             - 네이버 블로그 <Physics of Dream>hansyoo 님의 글 중에서 전재.....