한국표준과학연구원(KRISS) 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계 최초로 니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 그 특성의 검증에 성공했다.

연구팀이 개발한 니오븀 기반 소자는 기존의 알루미늄 기반 소자와 비교해 더 실용적인 온도와 자기장 환경에서 활용할 수 있다는 게 장점이다. 특히 양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용이 가능하다.

초전도체 기반 양자소자는 기가헤르츠(GHz) 전자기파인 마이크로파를 이용해 ‘초전도 큐비트’라는 양자 상태를 제어하거나 측정한다. 알루미늄과 니오븀 모두 극저온에서는 전기저항이 사라지는 초전도 특성을 나타낸다.

그동안 니오븀은 온도 및 자기장과 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 다양한 활용이 가능한 것으로 알려져왔다. 하지만 강한 전기역학 상호작용을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 조건인 기판 전극으로부터 소자를 100nm(나노미터, 10억분의 1m) 수준으로 띄워 유지하는 기술이 부재했다.

나노 스케일에서는 분자 간에 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 이를 극복할 나노구조를 만들고 내부의 잔류응력을 제어하는 것이 어려웠던 탓이다.

미래 정보통신 인프라 기술로 꼽히는 양자 네트워크, 양자 인터넷의 현실화를 위한 기반기술이 국내 연구팀에 의해 개발됐다.

KRISS 양자기술연구소 양자역학계팀은 약 2년의 연구 끝에 니오븀 증착 조건을 최적화해 잔류응력을 제어해냈다. 그리고 이를 기반으로 세계 최초로 니오븀 나노전기역학 소자를 제작했다.

니오븀 나노전기역학 소자는 절대온도 4K, 외부자기장 0.8T(테슬라)의 환경에서 사용할 수 있다. 기존 알루미늄 소자의 작동 한계 환경인 절대온도 1K, 외부자기장 0.01T를 크게 뛰어넘는 결과다.

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

이 같은 결과를 감안하면 이 소자를 이용해 비가역 마이크로파 소자의 소형화를 앞당길 수 있다는 결론이 도출된다. 비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과시켜 외부에서 소자로 유입되는 잡음을 차단한다.

연구팀의 차진웅 선임연구원과 서준호 책임연구원은 “이번에 개발한 소자를 활용해 다양한 양자정보 장치를 원격으로 연결하는 마이크로파-광신호변환 장치를 개발할 예정”이라며, “소규모 양자 네트워킹을 넘어 다양한 양자 시스템 간 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷의 구현에 도움을 줄 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 게재됐다.

황민승 기자 다른기사 보기