재료과학 난제 "초전도 게르마늄" 구현…"양자장치 양산 가능성"
하이커뮤니티매니져
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초전도성 게르마늄(금색), 반도체성 게르마늄(파란색)으로 구현한 조셉슨 접합을 나타낸 그림. 갈륨 원자를 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 얇은 절연체 장벽을 샌드위치처럼 끼워 전류를 통제하는 구조를 말한다. 초전도 회로 방식 양자컴퓨터 등 양자 소자에 기본적으로 활용된다. Patrick Strohbeen/NYU 제공
호주와 미국 공동연구팀이 기존 산업에서 널리 쓰이는 반도체 재료인 게르마늄(Ge)에서 초전도성을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 재료과학 분야 50년 난제를 해결해 양자 회로·소자 등 양자 장치를 반도체 기반으로 양산할 가능성을 열었다는 평가다.
호주 퀸즐랜드대와 미국 뉴욕대 공동연구팀은 게르마늄 결정에 갈륨(Ga) 원자를 도입해 안정적인 초전도성을 구현하는 데 처음으로 성공하고 연구결과를 30일(현지시간) 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 공개했다.
초전도성은 전류가 저항 없이 흐르는 성질을 말한다. 전자가 둘씩 짝지어 '쿠퍼 쌍(Cooper pairs)'을 이루고 에너지 손실 없이 움직이며 보통 영하 약 250도 이하의 극저온 상태에서 일어나는 현상이다.
초전도체를 사용해 구성한 초전도 회로는 미래 전략기술인 양자컴퓨터의 정보처리 단위 '큐비트(qubit)'나 초미세 자기장을 측정하는 양자 센서인 '초전도 양자간섭 장치(SQUID)' 등에 활용된다.
온도를 낮춘다고 모든 물질에서 초전도성이 나타나는 것은 아니다. 실리콘(Si)과 게르마늄은 전류의 흐름을 조절하기 용이한 반도체 원소로 현재 각종 컴퓨터 칩이나 태양전지의 핵심 재료지지만 순수한 실리콘이나 게르마늄은 결정 구조상 온도를 극한까지 식혀도 쿠퍼 쌍이 효과적으로 형성되지 않아 초전도성이 나타나지 않는다.
실리콘이나 게르마늄 결정 구조에 다른 원자를 첨가해 성질을 변화시키는 '주입(doping)' 공정을 통해 초전도성을 구현하려는 시도가 꾸준히 이뤄졌지만 구조적 안정성이 떨어진다는 점이 걸림돌로 작용했다. 게르마늄에 갈륨을 주입해 초전도성을 구현하는 선행 연구에서는 갈륨 농도가 높아질 경우 결정 구조가 불안정해지면서 붕괴돼 초전도성이 사라지는 것으로 나타났다.
연구팀은 갈륨 원자가 기존 주입 시도보다 더 높은 비율로 주입돼 결정 내 게르마늄 원자를 대체하도록 하는 '분자 빔 증착(MBE)' 기법을 도입했다. 초고진공 상태에서 원료 물질을 가열해 증발시킨 다음 가열된 기판에 쏴 박막을 성장시키는 기법이다. 다른 주입 방법인 이온 주입보다 정밀하게 결정 구조를 조절할 수 있다.
실험 결과 갈륨이 대량으로 주입된 게르마늄 박막은 약 3.5캘빈(K, 절대온도의 단위로 0K은 영하 273.15℃)의 극저온에서 안정적으로 초전도성을 구현하는 데 성공했다. 초전도성 게르마늄과 반도체성 게르마늄을 모두 확보한 셈이다.
초전도성 게르마늄과 반도체성 게르마늄을 활용하면 초전도 회로의 기초 구조인 조셉슨 접합을 만들 수 있다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 얇은 절연체 장벽을 샌드위치처럼 끼워 전류의 흐름을 조절하는 구조를 말한다.
조셉슨 접합은 초전도 회로 방식 양자컴퓨터 등 양자 소자에 널리 활용된다. 조셉슨 접합이 포함된 초전도 회로에서 양자현상이 제대로 작동한다는 사실을 증명해 양자컴퓨터 등 양자과학기술 산업화의 기반을 닦은 과학자들이 올해 노벨 물리학상을 받기도 했다.
논문 공동저자인 자바드 샤바니 뉴욕대 양자연구소장은 "컴퓨터 칩과 광섬유에 이미 널리 사용되는 게르마늄에서 초전도성을 확립했다"며 "수많은 제품과 산업 기술에 혁명을 일으킬 잠재력이 있다"고 밝혔다.
다른 공동저자인 피터 제이콥슨 퀸즐랜드대 수리물리학과 교수는 "개발된 소재는 초전도 영역과 반도체 영역 사이를 이어주는 깨끗한 인터페이스로 미래 양자회로, 양자센서, 저전력 극저온 전자기기의 기반이 될 수 있다"고 설명했다.
https://m.dongascience.com/news.php?idx=74828
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