□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 물리‧광과학과 도용주 교수와 KAIST(한국과학기술원) 김봉수 교수 공동 연구팀이 위상 절연 나노선*을 이용한 초전류 트랜지스터*를 이용하여 거시적 양자투과 현상을 구현하는데 성공했다.

∘ 이번 연구결과로 위상 초전류를 이용한 새로운 양자 정보 소자 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 추후 위상 절연 나노선을 활용함으로써 위상학적으로 안정된 양자 상태를 구현할 것으로 예상된다.

* 위상 절연 나노선 : 위상 절연 물질로 이루어진 일차원 나노구조체. 위상 절연 물질은 일반 절연체와 유사하게 에너지 간극을 갖고 있는 동시에 위상학적 조건을 따라서 절연체 표면에 금속성 전기 전도도를 갖는 신물질.

* 초전류 트랜지스터 : 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 초전류의 개폐(On/Off)를 작동시키는 양자 물리학 원리를 응용한 트랜지스터 소자.

(초전류 : 양자 물리학 원리에 의해서 저항이 0이 되는 물질 상태에서 흐르는 전류로 전류가 흐르더라도 이로 인한 전력 손실이 발생하지 않음.)

□  이론 물리학자들은 위상 절연체를 이용한 초전류 소자를 사용한다면 위상학적으로 안전하게 양자 상태를 보존할 수 있는 양자 컴퓨터를 구현할 수 있을 것으로 예측하고 있다.

∘ 이러한 예측을 실험적으로 입증하기 위해서는 여러 단계의 테스트를 거쳐야 하는데, 양자 상태를 가둘 수 있는 양자 우물의 존재가 우선적으로 입증되어야 한다. 초전류 소자는 양자 우물이 연이어서 붙어있는 일차원 시스템과 유사하다고 볼 수 있기 때문에 거시적인 양자 투과 현상*의 관측은 초전류 소자 내부에 양자 우물이 존재한다는 증거가 될 수 있다.

∘ 기존의 초전도 양자 소자의 경우 금속 산화물 접합을 통한 투과 초전류를 사용하는데 반하여 위상 절연 나노선을 이용한 초전류 소자는 게이트 전압을 써서 개별 초전류 소자를 제어하는 것이 가능하기 때문에 집적화가 보다 용이하다는 장점을 갖고 있다.

      * 거시적 양자투과 현상 : 양자 우물에 갇힌 원자 크기의 작은 입자들은 양자투과 현상에 의해 에너지 장벽 너머에 존재할 수 있게 된다. 초유체 또는 초전도체의 경우에는 수 마이크로미터(백만분의 1미터에 해당하는 길이 단위) 이상의 거시적인 크기에서도 양자투과 현상이 발생할 수 있는데, 이를 거시적 양자투과 현상이라고 함.

□  도용주 교수-김봉수 교수 공동 연구팀은 은-셀레늄(Ag2Se) 위상절연 나노선 위에 초전도 알루미늄 전극을 증착하여 위상 초전류 트랜지스터를 제작하였고, 소자에 흐르는 초전류의 임계 전류 부근에서 나타나는 초전류-정상전류 스위칭 분포를 통계적으로 측정한 결과, 절대온도* 0.8 켈빈 이하에서 초전류의 거시적 양자투과 현상이 발생함을 실험적으로 관측하였다.

∘ 이 온도는 그래핀 초전류 소자(2013년 Nature Communications 발표), 또는 황화납 초전류 소자 (2017년 ACS Nano 발표)에서 관측된 선행 결과들과 비교할 때, 지금까지 거시적 양자투과 현상을 관측한 최고 임계 온도에 해당한다.

* 절대 온도 : 켈빈(Kelvin)으로 표현되는 온도 체계로서, 절대 영도(0 Kelvin)는 섭씨 영하273.15 oC에 해당하며, 초전류를 이용한 양자 컴퓨터는 주로 0.01 켈빈 정도의 극저온에서 안정적으로 작동함.

□  도용주 교수는 “이번 연구결과는 위상 초전류 소자를 이용한 양자 컴퓨터라는 최종 목표에 한걸음 더 가까이 다가간 것을 의미하며, 조금 더 기술적인 진보를 이룬다면 초전류 양자 우물에서 발생하는 에너지 양자화를 실험적으로 관측하고 이를 게이트 전압을 써서 인위적으로 조절할 수 있을 것” 이라고 말했다.

□ 본 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견 핵심 사업과 선도형 연구센터(SRC)의 지원을 받았으며, 나노 분야 전문 학술지인 Nano Letters 10월 24일자에 온라인 게재되었다. <끝>     

※ 논문 제목 : Macroscopic quantum tunneling in superconducting Junctions of β-Ag2Se topological insulator nanowire - 교신저자 : 도용주 교수 (GIST 물리·광과학과), 공동교신저자 : 김봉수 교수 (KAIST 화학과) - 제1저자 : 김지환 박사 (KAIST 화학과), 공동제1저자 : 김범규 박사 (GIST 물리·광과학과)