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김우재 교수팀
김우재 교수팀, 양자 얽힘 상태의 다중 엑시톤 생성 메커니즘 규명 유기 반도체 물질의 바닥 상태로부터 직접적으로 전이된 삼중항 쌍 엑시톤 관측, 태양전지와 양자 정보의 새로운 열쇠, 다중 엑시톤 생성 기술 생성 메커니즘 규명
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사진1. 화학과 김우재 교수
우리대학교 화학과 김우재 교수 연구팀이 미국 코넬대학교 화학및화학생물학과 Andrew J. Musser 연구팀과 공동 연구를 통해 유기 반도체에서 양자 얽힘 상태의 다중 엑시톤이 생성되는 새로운 모델을 제시했다.
이번 연구는 세계적 권위를 자랑하는 종합 화학 분야 학술지 ‘네이쳐 케미스트리 (Nature Chemistry, IF 19.2)’ 10월 호에 게재됐다.
기존 연구에 따르면, 다중 엑시톤 상태는 특정 유기 반도체 물질이 빛을 흡수한 후 '단일항 분열' 과정을 거쳐서 형성된다고 알려져 있다.
하지만 김 교수팀은 초고속 분광 기술을 활용해, 이 상태가 단일항 분열을 거치지 않고도 유기 반도체의 바닥 상태에서 직접적으로 형성될 수 있음을 밝혀냈다. 이 발견은 유기 태양전지와 양자 정보 처리 분야에서 새로운 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
그림1. 전하 공명 상태를 매개한 바닥 상태에서의 삼중항 쌍 상태로의 직접적 전이에 관한 모식도빛을 흡수한 유기 반도체 물질이 형성하는 ‘삼중항 엑시톤 쌍 형태의 다중 엑시톤’은 독특한 양자 상태이다. 이 삼중항 엑시톤 쌍은 '양자 얽힘' 상태로, 양자 정보를 처리할 수 있는 두 개의 큐트릿(Qutrit) 역할을 하며 기존의 양자 정보 기술에 새로운 가능성을 열어 준다. 특히, 이 얽힘을 풀어 자유로운 삼중항 엑시톤 두 개로 바꾸면, 태양전지 효율을 제한하는 '쇼클리-퀘이서(Shockley-Queisser) 한계'를 극복할 가능성도 있다.
단일항 분열 과정에서 빛을 받은 단일항 엑시톤이 삼중항 쌍 다중 엑시톤으로 전환되는 첫 번째 과정이 다중 엑시톤 생성 효율을 결정한다. 즉, 다중 엑시톤 생성 효율은 이 전환 과정의 에너지와 상호작용에 따라 달라지며, 유기 반도체 분자의 구조 또한 중요한 요소로 작용한다.
이번 연구에서는 단일항 엑시톤을 매개할 때 필연적으로 발생하는 에너지 손실과 생성 효율의 한계를 극복하기 위해, 유기 반도체의 바닥 상태에서 다중 엑시톤이 직접 생성되는 새로운 모델을 제시했다.
이 모델에 도입된 양자 상태인 전하 공명 상태는 삼중항 쌍 다중 엑시톤 상태와 새로운 양자 중첩 상태를 구성하며, 다중 엑시톤 상태가 직접적으로 빛을 흡수할 수 있는 매개체 역할을 한다(그림). 이러한 양자 중첩 상태의 중첩 지속성은 유기 물질의 구조나 용매의 유전율에 따라 다르게 나타난다.
전하 공명 상태와의 중첩을 통한 새로운 다중 엑시톤 생성 메커니즘은 다양한 펜타센 이량체와 박막에서 일반적으로 나타나는 현상으로 밝혀졌으며, 유기물의 구조를 조절함으로써 양자 중첩의 정도와 새로운 메커니즘의 발현 여부도 조절할 수 있음을 보여준다.
현재 연구팀은 이 양자 중첩 상태를 통해 보다 효율적으로 빛을 흡수하는 다중 엑시톤 상태를 발현하는 것을 목표로 확장된 유기 반도체 물질에서의 연구를 수행하고 있다.
김우재 화학과 교수는 “지금까지 삼중항 쌍 상태는 무조건 들뜬 단일항 상태를 거쳐야만 형성된다는 것이 학계의 통설이었으나, 이번 연구는 바닥 상태의 유기 반도체가 빛을 흡수해 직접적으로 삼중항 쌍으로 전이되는 것이 가능함을 실험적으로 증명한 최초의 사례”라며, “적절한 분자 설계를 통해 일반적으로 발생하지 않는 새로운 형태의 광물리 동역학을 일으킬 수 있다.”고 연구 의의를 설명했다.
한편, 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 ‘우수신진연구’의 지원을 통해 수행됐다.
연구진
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김우재 교수
연세대학교 이과대학 화학
WOOJAE@YONSEI.AC.KR
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