한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계최초로 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.
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 nm (나노미터, 10억분의 1 m) 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 세계최초로 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.
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 소자*의 소형화를 앞당길 수 있다. 비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과시켜 외부에서 소자로 유입되는 잡음을 차단한다.
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”라고 말했다.
한국연구재단 선도연구센터지원사업, 삼성미래기술육성재단과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Letters, IF: 11.238)에 게재됐다.
