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노벨상 '별난물질' 측정기술 개발, 양자소자 활용 '기대'

표준연 서준호 박사 연구팀, 이론상의 위상물질 측정 시연
미래 양자소자에 활용할 수 있는 특성 파악한 중요한 성과
 연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자의 모습. 한국표준과학연구원 연구팀은 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선(nanowire)이며 나노선의 공진을 통해 위상물질의 상태를 파악했다.<사진= 한국표준과학연구원> 연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자의 모습. 한국표준과학연구원 연구팀은 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선(nanowire)이며 나노선의 공진을 통해 위상물질의 상태를 파악했다.<사진= 한국표준과학연구원>

한국표준과학연구원(원장 박상열)은 독일 쾰른대학교 연구팀과 공동연구로 일반 금속이나 반도체 등과 다른 특성을 지녀 '별난 물질'로 불리는 위상물질의 활용성을 높일 측정기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

서준호 양자기술연구소 책임연구원과 김건우 쾰른대 연구위원 연구팀은 머리카락 1000분의 1 굵기인 나노역학소자의 공진 주파수를 분석해 위상물질의 특성을 측정하는데 성공했다.

별난 물질로 불리는 위상 물질은 데이비스 사울리스(워싱턴대), 던컨 홀데인(프린스턴대), 마이클 코스털리츠(브라운대) 교수가 2016년 노벨물리학상을 받으며 세상에 알려졌다.

이들은 위상학(topology)이라는 수학적 개념을 물리학에 도입, 이론화 했다. 위상학은 연결성이나 연속성 등 작은 변환에 의존하지 않는 기하학적 성질들을 다루는 수학의 한 분야. 위상물질은 구멍의 수로 상태를 구분한다. 위상물질이 알려지며 각국의 연구가 활발하게 진행되고 있다.

위상물질로 제작한 전자소자는 온전한 양자 결맞음(양자들의 파동이 같이 가는 현상) 상태를 가질 수 있어 양자소자로 활용 가능하다. 극히 이론적인 개념이었던 위상학을 현실에 적용하기 위해서는 아직 베일에 싸인 위상물질의 특성을 더 이해해야 한다.

연구팀은 수백 나노미터(nm) 굵기의 위상물질인  나노선 기반 역학소자를 제작, 위상물질의 가장 중요한 특성 중 하나인 전자상태밀도의 신개념 측정 기술을 시연하는데 성공했다.

즉, 연구팀은 위상절연체인 비스무스셀레나이드(Bi₂Se₃) 화합물로 나노선을 만들었다. 이후 금속 박막 전극에서 수십 나노미터 떨어져 진동하도록 해 전극을 통한 역학적 공진을 유도, 측정했다.

나노역학소자(기계적 진동을 신호처리, 센싱 등에 활용하는 나노 공정으로 제작한 소자)는 나노선의 양쪽을 고정하고 띄운 형태로 기타 줄과 비슷하다. 기타 줄을 튕기면 공진하듯 나노선도 공진을 발생시킬 수 있다. 이때 물질의 위상상태, 즉 구멍의 수를 알아낼 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

극저온에서 나노선 표면의 전자는 양자 결맞음이 잘 유지된다. 연구팀은 이를 통해 위상물질의 전기적 특성은 물론 상태밀도에 따른 공진주파수 변화까지 동시에 측정하는데 성공했다. 실험결과인 나노선의 진동과 표면에 존재하는 전자계의 상호 작용도 양자현상에서 기인함을 이론 계산으로 밝혀냈다.

이번 성과는 위상물질 기반 나노역학소자 연구의 첫 결과 평가된다. 기존 전기전도 측정만으로는 파악하기 어려운 위상 물질 표면의 전자 상태 밀도 정보를 알아 낸 것이다. 특히 위상물질이 이론을 넘어 양자컴퓨팅, 양자통신의 기반인 양자소자로 활용될 수 있는 가능성을 제시했다.

서준호 책임연구원은 "대표적인 반도체 소자인 트랜지스터가 나오기 전까지 실리콘이라는 반도체 물질의 특성을 파악하는 데에만 수십 년이 걸렸다"며 "이번에 개발한 역학적 공진 기반 측정기술 또한 큐빗, 스핀트로닉스 소자 등 미래 양자소자에 활용할 수 있는 위상물질의 특성을 파악하는 중요한 성과"라고 말했다.

이번 연구는 표준연과 IBS, 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications – IF: 11.878)에 10월 게재됐다.


서준호 표준연 양자기술연구소 박사(사진 뒤쪽) 연구팀이 나노역학소자 실험을 하고 있다.<사진= 한국표준과학연구원>  서준호 표준연 양자기술연구소 박사(사진 뒤쪽) 연구팀이 나노역학소자 실험을 하고 있다.<사진= 한국표준과학연구원>
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