꿈의 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터의 상용화를 위해서는 기본 양자 소자를 안정화하는 기술이 꼭 필요하다. 양자는 한 개의 입자가 여러 속성을 갖고 있으므로 이를 극대화하면 방대한 양의 정보를 빠르게 처리할 수 있는 있다. 반면 주변과 영향을 주고받아 성질이 쉽게 변하므로 양자 소자가 온전한 상태인 '결맞음' 상태를 유지할 수 있도록 주변을 잘 통제하는 것이 필수다.

포스텍 물리학과 이후종·이길호 교수 연구실의 박사과정 박진호 씨는 이재형 박사(현 삼성전자 종합기술원), 일본 히로시마 대학 및 국립재료연구소와의 국제 공동 연구를 통해 단간극(短間極) 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현하는데 성공했다고 대학 측이 28일 밝혔다. 이로써 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 한발짝 더 다가서게 됐다.

초전도체는 임계온도라 불리는 일정 온도 이하에서 전기저항 없이 전류가 흐르는 물질이다. 이렇게 전기저항이 없이 흐르는 전류가 초전류(超電流)다. 흥미롭게도 수백 나노미터(10억분의 1미터) 길이의 짧은 도체를 사이에 두고 두 초전도체 전극을 떨어뜨려 놓아도 사이에 초전류가 흐르게 할 수 있는데, 이런 구조를 '조셉슨접합'이라 한다.

조셉슨접합에서 두 전극 사이의 간격이 짧을수록 초전류는 더 커진다. 어느 기준 이상 큰 초전류를 가지는 접합을 단간극접합이라 한다. 이는 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트처럼 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 꼭 필요하다. 최근 전류가 잘 흐르는 그래핀을 매개로 한 조셉슨접합으로 단간극접합 특성을 실현하려는 많은 시도가 있었으나 성공하지 못했다. 

연구팀은 육방정계붕소 박막 사이에 깨끗한 그래핀을 삽입한 수평형 그래핀 접합에서 단간극 조셉슨접합 특성을 실현하는 데 최초로 성공했다. 연구팀은 그동안 단간극접합 특성이 실현되지 못한 것이 그래핀과 초전도 전극이 접합되는 부위에서 전하이동으로 그래핀 특성이 변질되었기 때문임을 밝혔고, 이를 보정해 평면형 그래핀 접합에서 단간극 특성을 확인할 수 있었다. 육방정계란 한 평면상에서 서로 60˚로 교차하는 3개의 수평축과, 이들과 직교하면서 길이가 다른 수직축을 가진 결정계를 말한다(두산백과 사전).

연구를 주도한 이후종 교수는 "이번 연구 성과는 전류 전도 특성이 우수한 그래핀을 이용해 매우 안정된 양자 소자를 고안하는 데 유용하게 활용될 수 있다"고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 SRC 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과를 담은 논문은 미국물리학회 학술지 '피지칼 리뷰레터스(Physical Review Letters)' 온라인판 최신호에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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