표준연, 니오븀 기반 초전도체 나노전기역학 소자 '세계 최초' 개발

양자기술연구소의 차진웅 선임연구원(사진 왼쪽), 서준호 책임연구원(오른쪽)이 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 준비하고 있다.

한국표준과학연구원(원장 박현민)은 양자기술연구소 양자역학계팀이 니오븀 초전도 나노전기역학 소자를 세계 최초로 개발하고 특성을 검증하는데 성공했다고 14일 밝혔다. 양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용될 전망이다.

나노전기역학 소자는 역학 진동을 전기적으로 측정하는 나노스케일 소자를 말한다. 연구팀이 개발한 니오븀 기반 나노전기역학 소자는 기존 알루미늄 기반 소자보다 뛰어나다.

니오븀과 알루미늄 모두 극저온에서 초전도 특성을 보인다. 이들을 이용한 양자소자는 기가헤르츠(㎓) 전자기파인 마이크로파를 이용해 '초전도 큐비트' 양자 상태를 제어하거나 측정할 수 있다.

니오븀은 온도나 자기장과 같은 주변 환경 영향을 상대적으로 덜 받는다. 다양한 활용이 가능하다. 그러나 현실화는 어려웠다. 강한 전기역학 상호작용을 구현기 위해 소자를 기판 전극으로부터 100나노미터(㎚) 띄워 간극을 유지해야 하는데, 이런 기술이 없었다. 나노스케일에서는 분자 간 끌어당기는 힘이 강해 이를 극복할 구조를 만들고 내부 잔류응력을 제어하는 것이 어려웠다.

연구팀은 2년여 연구 끝에 니오븀 증착 조건을 최적화해 잔류응력을 제어했고 이를 기반으로 세계 최초로 니오븀 나노전기역학 소자 제작에 성공했다.

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

연구팀은 개발 소자를 이용한 마이크로파 제어에도 성공했다. 강한 전기역학적 상호작용을 통해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1000배 이상 줄일 수 있었다.

연구팀에서 개발한 소자를 이용하면 비가역 마이크로파 소자(마이크로파 신호를 한 쪽으만 전달하는 장치) 소형화를 앞당길 수 있다. 비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과시켜 외부에서 소자로 유입되는 잡음을 차단한다.

차진웅·서준호 연구원은 “개발 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”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com