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  • 기사등록 2021-04-14 12:00:04
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▲ 한국표준과학연구원(KRISS) 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계 최초로 니오븀 초전도 나노전기역학 소자를 개발했다. 사진은 개발한 초전도 나노전기역학 소자 제작 이미지



[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS) 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계 최초로 니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 그 특성을 검증하는 데 성공했다.


KRISS 연구팀이 개발한 니오븀 기반 나노전기역학 소자는 기존의 알루미늄을 기반으로 한 소자보다 더 실용적인 온도와 자기장 환경에서 활용할 수 있다. 이는 양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용될 전망이다.


초전도체 기반 양자소자는 기가헤르츠(GHz)의 전자기파인 마이크로파를 이용해 ‘초전도 큐비트’라는 양자 상태를 제어하거나 측정한다. 알루미늄과 니오븀 모두 극저온에서는 초전도 특성을 나타낸다. 초전도는 특정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 없어지는 현상을 말하며, 이런 성질을 가진 물질을 초전도체라고 한다.



▲ 초전도 나노전기역학 소자의 전자현미경 사진



니오븀은 온도 및 자기장과 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기에 다양한 활용이 가능한 것으로 알려졌다. 그러나 강한 전기역학 상호작용을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 조건인 기판 전극으로부터 소자를 100 ㎚ 수준으로 띄워 유지하는 기술이 부재했다. 나노스케일에서는 분자 간 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 이를 극복할 나노구조를 만들고 내부의 잔류응력을 제어하는 것이 어려웠기 때문이다.


KRISS 양자기술연구소 양자역학계팀은 약 2년의 연구 끝에 니오븀 증착 조건을 최적화하여 잔류응력을 제어했으며, 이를 기반으로 세계 최초로 니오븀 나노전기역학 소자를 제작하는 데 성공했다.


니오븀 나노전기역학 소자는 절대온도 4 K(켈빈, 절대온도 273.15 K은 섭씨 0도와 같다), 외부자기장 0.8 T(테슬라)의 환경에서 사용할 수 있다. 이는 기존 알루미늄 소자의 제한된 작동 환경인 절대온도 1 K, 외부자기장 0.01 T를 크게 뛰어넘는 결과다.



▲ 초전도 나노전기역학 소자 개념도



KRISS 연구팀은 개발한 소자를 이용한 마이크로파 제어에도 성공했다. 연구팀이 개발한 소자는 강한 전기역학적 상호작용을 통해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1000배 이상 줄일 수 있었다.


연구팀에서 개발한 소자를 이용하면 비가역 마이크로파 소자의 소형화를 앞당길 수 있다. 비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과시켜 외부에서 소자로 유입되는 잡음을 차단한다.


비가역 마이크로파 소자(nonreciprocal microwave device)는 마이크로파 신호를 한 쪽 방향으로만 전달하는 장치로서, 마이크로파 아이솔레이터(isolator) 및 서큘레이터(circulator)가 이러한 소자의 대표적인 예이다.



▲ KRISS 양자기술연구소 차진웅 선임연구원(좌), 서준호 책임연구원(우)이 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 준비하고 있다.



KRISS 차진웅 선임연구원, 서준호 책임연구원은 “이번에 개발한 소자를 활용해 다양한 양자정보장치를 원격으로 연결하는 마이크로파-광신호변환 장치를 개발할 예정”이라며 “소규모 양자 네트워킹을 넘어, 다양한 양자 시스템 간 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷을 구현하는 데 도움을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.


한국연구재단 선도연구센터지원사업, 삼성미래기술육성재단과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구 결과는 나노 분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 게재됐다.



▲ KRISS 양자기술연구소 연구팀(왼쪽 위부터 시계방향으로 김학성 선임기술원, 차진웅 선임연구원, 서준호 책임연구원, 김지환 박사후연구원, 심승보 책임연구원)



한편, KRISS 양자기술연구소 양자역학계팀은 나노전기역학 소자를 기반으로 양자기술을 연구한다. 극저온에서 동작하는 고주파 나노전기역학 소자는 양자역학적 효과를 보이게 되어 양자소자로서 활용이 가능하며, 특히 물리적으로 서로 다른 양자들과 상호작용이 가능한 특별한 성질을 지닌다.


양자역학계팀은 이러한 역학적 양자소자를 제작·측정하고, 이를 기반으로 다른 양자 시스템들과 연결하여 양자정보와 센싱을 아우르는 미래 양자하이브리드 기술을 개발하기 위해 노력하고 있다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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