이승우 교수팀, Nature Communications지 논문 발표: 포논-폴라리톤 에너지 효율적 수송 달성 

고려대학교 KU-KIST융합대학원 & 공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수팀은 카이스트 장민석 교수팀/Donostia International Physics Center (DIPC) Alexey Y Nikitin 교수팀과 함께 포논-폴라리톤 에너지를 효율적으로 수송/전달할 수 있는 신개념 “푸리에 폴라리톤 결정”을 개발하여, 2025년 3월 14일 세계적 학술지인 Nature Communications (Impact factor: 15.7)지에 출판했다.

2차원 반도체의 포논-폴라리톤은 빛-에너지를 회절한계 이하 공간에서 집속시키고 수송시켜, 나노광학 소자를 포함한 모든 파동-에너지 제어의 이론적 한계인 회절한계를 돌파할 수 있는 게임-체인저로 각광 받고 있다. 이러한 포논-폴라리톤을 효율적으로 여기/수송/전달시키기 위해서는 2차원 반도체와 결정 구조를 결합하여, 결정 구조의 모멘텀을 효율적으로 포논-폴라리톤에 전달해야 한다. 통상적으로 이에 필요한 결정 구조는 식각 기반의 반도체 공정으로 만들어왔으나, 이렇게 만들어진 결정 구조는 Digitated Binary 구조만 가능하고, 이에 따라 파동 제어의 있어 원치 않는 파장의 파동 간섭을 야기시킬 수 밖에 없었다(그림 1, 오른쪽).  

이승우 교수팀은 원치 않는 파동 간섭을 피할 수 있는 Sinusoidal 형태의 푸리에 결정 구조를 제작/도입하여, 노이즈가 훨씬 적은 포논-폴라리톤 전달을 가능한 결정을 구현했다(그림 1, 왼쪽). 특히 새로운 반도체 공정인 홀로그램 프린팅 방법을 통해, 아조벤젠 고분자 표면에 식각 없이 푸리에 표면을 대량생산 할 수 있었다(그림 2). 따라서 기존 결정에서는 불가능했던 2차원 반도체의 포논-폴라리톤의 밴드갭 구조를 새롭게 열 수 있고, 이로부터 파동의 회절 한계를 넘어선, 포논 에너지 제어의 효율성을 크게 높일 수 있었다.

 

- 저자정보: Sergey G. Menabde (공동제1저자, 카이스트), 임용준 석박통합과정 (공동제1저자, 고려대학교), Kirill Voronin (공동제1저자, Donostia International Physics Center (DIPC)), Jacob T. Heiden (공동저자, 카이스트), Alexey Y Nikitin (교신저자, Donostia International Physics Center (DIPC)), 이승우 (교신저자, 고려대학교), 장민석 (교신저자, 카이스트) (총 7명)

- 논문명: Polaritonic Fourier crystal

- 논문게재지: Nature Communications, 권: 16, 페이지: 2530, 연도: 2025

- 논문 그림 설명:

[그림 1] 기존 반도체 식각 공정에 의해 제작된 (오른쪽) 결정 및 (왼쪽) 푸리에 결정과 결합된 2차원 반도체의 포논-폴라리톤 전달수송 밴드 다이어그램(모멘텀-Dispersion). 
푸리에 결정이 훨씬 더 노이즈가 없는 포논-폴라리톤 수송이 가능함.

 

[그림 2] 아조고분자에 새겨진 푸리에 표면-2차원 반도체 집적 모식도. 

[그림 3] 고려대학교 참여 연구진. (좌측부터) 임용준 석박통합과정(공동제1저자), 이승우 교수 (교신저자)