초전도 나노전기역학 소자의 전자현미경 사진/표준연 제공

한국표준과학연구원(KRISS) 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계최초로 니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 그 특성을 검증하는 데 성공했다.
미래 정보통신 인프라 기술로 꼽히는 양자 네트워크, 양자 인터넷의 현실화를 위한 기반기술이 개발된 것이다.
연구팀이 개발한 니오븀 기반 소자는 기존의 알루미늄 기반 소자와 비교해 더 실용적인 온도와 자기장 환경에서 활용할 수 있다는 게 장점이다.
양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용이 가능하다.
나노전기역학 소자(nanoelectromechanical systems)는 역학적 진동을 전기적으로 측정할 수 있는 나노스케일의 소자다.
기존의 알루미늄 소자는 절대온도 1K, 외부자기장 0.01T(테슬라)에서 작동한다.
니오븀 나노전기역학 소자는 절대온도 4K, 외부자기장 0.8T(테슬라)의 환경에서 사용할 수 있어 작동환경의 제한조건을 크게 뛰어넘었다.
기가헤르츠(GHz) 대역의 마이크로파 신호를 수백 테라헤르츠(THz)의 광신호로 변환해 서로 멀리 떨어져 있는 양자시스템 간 통신을 가능하게 하는 양자네트워크용 마이크로파-광파 변환장치와 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용될 수 있다.

 표준연에서 개발한 초전도 나노전기역학 소자 제작 이미지/표준연 제공

초전도체 기반 양자소자는 기가헤르츠(GHz)대 전자기파인 마이크로파를 이용해 ‘초전도 큐비트’라는 양자 상태를 제어하거나 측정한다.
알루미늄과 니오븀 모두 극저온에서는 전기저항이 사라지는 초전도 특성을 나타낸다.
니오븀은 온도 및 자기장과 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 다양한 활용이 가능하다.
하지만 강한 전기역학 상호작용을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 조건인, 기판 전극으로부터 소자를 100nm(나노미터, 10억분의 1m) 수준으로 띄워 유지하는 기술이 없었다.
나노스케일에서는 분자 간 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 이를 극복할 나노구조를 만들고 내부의 잔류응력을 제어하는 것이 어려웠기 때문이다.
연구팀은 약 2년의 연구 끝에 니오븀 증착 조건을 최적화해 잔류응력을 제어했으며, 이를 기반으로 세계 최초로 니오븀 나노전기역학 소자를 제작하는 데 성공했다.
개발한 소자를 이용한 마이크로파 제어에도 성공했다.
강한 전기역학적 상호작용을 통해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1천배 이상 줄일 수 있었다.
이 소자를 이용해 비가역 마이크로파 소자의 소형화를 앞당길 수 있게 됐다.
비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과시켜 외부에서 소자로 유입되는 잡음을 차단한다.
연구팀은 “이번에 개발한 소자를 활용해 다양한 양자정보장치를 원격으로 연결하는 마이크로파-광신호변환 장치를 개발할 예정이다”며 “소규모 양자 네트워킹을 넘어, 다양한 양자 시스템 간 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷을 구현하는 데 도움을 줄 것으로 기대 한다”고 밝혔다.

차진웅 선임연구원(왼쪽)과 서준호 책임연구원이 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 살피고 있다. 

이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 게재됐다./이재철 기자
사진1=차진웅 선임연구원(왼쪽)과 서준호 책임연구원이 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 살피고 있다.
사진2=초전도 나노전기역학 소자의 전자현미경 사진/표준연 제공
사진3=표준연에서 개발한 초전도 나노전기역학 소자 제작 이미지/표준연 제공
 

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