노벨물리학상 받은 '위상물질' 특성 밝혔다...양자컴퓨터 활용 기대

2019.10.23 12:00
서준호 한국표준과학연구원 양자기술연구소 책임연구원과 김건우 독일 쾰른대 연구위원 연구팀이 머리카락 1000분의 1 굵기인 나노역학소자의 공진 주파수를 분석해 위상물질의 특성을 측정하는 기술을 개발했다. 한국표준과학연구원 제공
서준호 한국표준과학연구원 양자기술연구소 책임연구원과 김건우 독일 쾰른대 연구위원 연구팀이 머리카락 1000분의 1 굵기인 나노역학소자의 공진 주파수를 분석해 위상물질의 특성을 측정하는 기술을 개발했다. 한국표준과학연구원 제공

일반 금속이나 반도체와 다른 특성을 지녀 ‘별난 물질’로 불리는 위상물질의 특성을 측정하는 기술이 개발됐다. 이론 수준에 머물렀던 위상물질을 양자컴퓨터나 양자통신의 소자로 활용할 길을 열 것으로 기대된다. 


한국표준과학연구원은 서준호 양자기술연구소 책임연구원과 김건우 독일 쾰른대 연구위원팀이 머리카락보다 1000분의 1 가는 나노역학소자의 공진 주파수를 분석해 위상물질의 특성을 측정하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.


위상학은 연결성이나 연속성 등 기하학적 성질을 다루는 수학 분야다. 이런 성질을 물질에 적용한 게 위상물질로, 이 물질의 이론을 연구한 연구자들이 2016년 노벨 물리학상을 받았다.


위상물질은 ‘구멍의 수’로 상태를 구분한다. 찰흙으로 만든 공과 도넛을 예로 들어보면, 위상학적으로 볼 때 공과 도넛은 고체와 액체처럼 다른 상태다. 하지만 반지와 도넛은 구멍이 1개로 위상학적으로 같은 상태다.

 

위상물질로 제작한 전자소자는 여러 양자가 같은 파동으로 움직이는 현상(양자 결맞음)이 일어난다. 이는 이 소자를 양자소자로 활용할 수 있다는 뜻이다. 하지만 위상물질의 상태를 측정할 수 있는 기술이 부족해 실험을 통한 본격적인 연구가 이뤄지지 못했다.

 

연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자의 모습이다. 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선이며 나노선의 공진을 통해 위상물질의 상태를 파악했다. 한국표준과학연구원 제공
연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자의 모습이다. 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선이며 나노선의 공진을 통해 위상물질의 상태를 파악했다. 한국표준과학연구원 제공

연구팀은 위상물질의 특성을 알아보기 위해 나노역학소자의 공진 주파수를 이용했다. 나노역학소자는 비스무스셀레나이드 화합물로 만든 나노미터 굵기의 선(나노선)을 양쪽에서 붙잡아 띄운 형태다. 마치 기타줄과 비슷하다. 연구팀은 기타 줄을 튕기면 공진하듯 나노선도 공진을 발생시킬 수 있다는 점에 주목했다. 이 공진을 통해 물질의 위상상태를 결정하는 구멍의 수를 측정할 수 있을 것으로 보고 실험에 돌입했다.


연구팀은 극저온에서 나노선 표면의 전자가 결맞음 현상을 잘 유지한다는 사실을 확인했다. 이를 바탕으로 위상물질의 전기적 특성과 상태밀도에 따라 공진주파수가 어떻게 변화하는지 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 이런 변화가 일어나는 원인도 밝혔다. 나노선의 진동과 선 표면에 존재하는 전자계의 상호작용이 주원인으로 분석됐다. 


서 연구원은 “대표적인 반도체 소자인 트랜지스터가 나오기전까지 실리콘이라는 반도체 물질의 파악하는 데 수십 년이 걸렸다”며 “이번에 개발한 기술을 통해 미래 양자소자에 활용할 수 있는 위상물질의 특성을 알아냈다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 4일자에 발표됐다. 
 

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