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양자 네트워크 실현할 초전도 나노소자 개발


표준연, 세계최초로 니오븀 기반 초전도체 나노전기역학 소자 개발 성공

초전도 나노전기역학 소자의 전자현미경 사진 [표준연 제공]
초전도 나노전기역학 소자의 전자현미경 사진 [표준연 제공]

[아이뉴스24 최상국 기자]한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 세계최초로 니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 그 특성을 검증하는 데 성공했다고 14일 발표했다.

나노전기역학 소자(nanoelectromechanical systems)란 역학적 진동을 전기적으로 측정할 수 있는 나노스케일의 소자를 말한다.

기가헤르츠(GHz) 대역의 마이크로파 신호를 수백 테라헤르츠(THz)의 광신호로 변환해 서로 멀리 떨어져 있는 양자시스템 간 통신을 가능하게 하는 양자네트워크용 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용될 수 있다.

KRISS 연구팀이 개발한 니오븀 기반 나노전기역학 소자는 기존의 알루미늄을 기반으로 한 소자보다 더 실용적인 온도와 자기장 환경에서 활용할 수 있다. 기존의 알루미늄 소자는 절대온도 1K, 외부자기장 0.01T(테슬라)에서 작동하지만, 니오븀 나노전기역학 소자는 절대온도 4 K, 외부자기장 0.8 T(테슬라)의 환경에서 사용할 수 있어 작동환경의 제한조건을 크게 뛰어넘었다.

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

표준연에서 개발한 초전도 나노전기역학 소자 제작 이미지 [표준연 제공]
표준연에서 개발한 초전도 나노전기역학 소자 제작 이미지 [표준연 제공]

니오븀은 온도 및 자기장과 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 더욱 다양한 활용이 가능하다. 하지만 강한 전기역학 상호작용을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 조건인, 기판 전극으로부터 소자를 100 nm (나노미터) 수준으로 띄워 유지하는 기술이 없었다. 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 최적화해 잔류응력을 제어했으며, 이를 기반으로 세계 최초로 니오븀 나노전기역학 소자를 제작하는 데 성공했다.

KRISS 연구팀은 개발한 소자를 이용한 마이크로파 제어에도 성공했다. 연구팀이 개발한 소자는 강한 전기역학적 상호작용을 통해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1천배 이상 줄일 수 있었다. 아이솔레이터, 서큘레이터 등 마이크로파 소자를 더욱 소형화할 수 있게 된다는 의미다.

연구팀은 “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.

표준연 양자기술연구소 연구팀(왼쪽 위부터 시계방향으로 김학성 선임기술원, 차진웅 선임연구원, 김지환 박사후연구원, 심승보 책임연구원) [표준연 제공]
표준연 양자기술연구소 연구팀(왼쪽 위부터 시계방향으로 김학성 선임기술원, 차진웅 선임연구원, 김지환 박사후연구원, 심승보 책임연구원) [표준연 제공]

이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터지원사업, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받았다. 관련 논문은 나노 분야의 세계적 학술지인 나노 레터스에 게재됐다.

◇논문제목: Superconducting Nanoelectromechanical Transducer Resilient to Magnetic Fields (pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04845)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)






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