hBN 층에서 양자 방출체의 협동 방출 실현

초록

본 연구는 실온에서 넓은 밴드갭 2차원 물질인 육각형 붕소질소(hBN) 내에 존재하는 B‑센터 결함을 전자빔으로 국소 활성화시켜, 몇 개의 거의 구별되지 않는 단일광자 방출체를 서브파장 길이 이내에 배치함으로써 초고속·고강도 초복사(superradiance)를 관찰하였다. 시간분해 광발광 측정에서 방사 수명이 1.85 ns에서 0.5 ns 수준으로 단축되고, 발광 강도는 N²에 근접하는 초선형 증가를 보였다. 또한 두 번째 순서 상관함수 g²(τ)에서 0 < g²(0) ≈ 0.6의 반뿜광(antibunching) 현상이 나타나, 몇 개의 구별되지 않은 발광체가 집단적으로 방출함을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 고전적인 Dicke 모델의 초복사 개념을 실리콘 기반 2차원 재료인 hBN에 적용한 최초 사례라 할 수 있다. B‑센터 결함은 436 nm의 제로포톤 라인을 갖는 청색 단일광자 방출체로, 전자빔 조사에 의해 위치와 개수를 정밀하게 제어할 수 있다. 저자들은 전자빔 조사 시간을 5 s에서 300 s까지 변화시켜, 평균 1~4개의 B‑센터가 𝜆/10 이하의 거리(≈50 nm 이하) 내에 집합하도록 만들었다. 이러한 서브파장 규모의 집합은 방출 파동함수가 겹쳐져 동일한 전자전이와 동질선폭을 공유하게 되며, 이는 집단적인 대칭 Dicke 상태 형성의 전제조건이다.

시간분해 PL 측정에서 단일 B‑센터는 τ≈1.85 ns의 단일 지수 감쇠를 보였지만, 2개 이상으로 구성된 집합에서는 τ가 1.25 ns(2개)에서 0.5 ns(4개)까지 급격히 감소하였다. 이는 방사 속도가 N에 비례해 증가함을 의미하며, 실험 장비의 시간 해상도(≈500 ps) 한계에 근접하는 수치를 얻었다는 점에서 실온에서의 초복사 현상이 매우 강하게 나타났음을 보여준다.

발광 강도 역시 N²에 가까운 초선형 스케일링을 보였으며, 이는 단순한 독립 방출체들의 합산보다 훨씬 큰 광자 플럭스를 제공한다. 특히 g²(0)≈0.62라는 반뿜광 값은 완전한 독립 방출( g²(0)=1-1/N )과 순수 초복사( g²(0)>1-1/N ) 사이의 중간값으로, 제한된 상호작용과 부분적인 집단 결합을 시사한다. 저자들은 이를 “bunching antidip”이라 부르며, 몇 개의 방출체가 부분적으로 동기화된 상태임을 증명한다.

또한, 큰 면적에 걸친 고밀도 B‑센터 집합(수십 개 이상)에서는 방사 수명이 단일체와 동일하게 1.85 ns로 유지되었으며, g²(0)≈1을 보여 파괴적 간섭이 지배함을 확인했다. 이는 초복사 현상이 거리와 개수에 매우 민감함을 강조한다.

이 연구는 hBN이라는 2D 재료가 제공하는 높은 결함 안정성, 넓은 밴드갭, 그리고 전자빔을 통한 정밀 결함 배열 가능성을 활용해, 실온·실리콘 기반 포토닉스에 바로 적용 가능한 초고속·초고강도 광원 플랫폼을 제시한다. 향후 전기적 구동, 광학 캐비티와의 결합, 혹은 다중 결함 배열을 통한 비가우시안 광자 상태 생성 등 다양한 양자광학 응용이 기대된다.