이후종·지승훈 교수팀
다양한 그래핀...초전도 양자소자 활용 기대

  온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 0이 되어 열이 생기지 않고도 전류가 흐르는 특성을 가지고 있어 전기전자 분야에서 광범위하게 응용되는 초전도체.

  신기하게도 초전도체 막 사이에 얇은 금속물을 끼워 넣으면 초전도체끼리 서로 닿지 않더라도 열이 생기지 않고 전류가 흐르게 된다.

  이를 ‘조셉슨 접합’이라 하는데 포항공과대학교(POSTECH) 연구팀이 그래핀을 이용해 이론으로만 예측되었던 ‘초단간극 탄도성 조셉슨접합’을 구현해 냈다.

  POSTECH 물리학과 이길호 박사·이후종 교수, 박사과정 김솔씨·지승훈 교수 공동연구팀은 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초단간극 탄도성 조셉슨 접합을 세계 최초로 실현 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 발표했다.

  조셉슨 접합의 경우 초전도성이 그대로 나타날 뿐만 아니라 양자 간섭현상도 일어나 미래형 첨단 컴퓨터로 불리는 ‘양자컴퓨터’ 양자간섭을 이용한 양자간섭소자, 초고주파 발진소자 등의 연구에 폭넓게 활용되고 있다.

  이 접합에서 가운데에 들어가는 금속이 아주 얇아지면 양자 결 맞음이 강한 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 생길 수 있을 것이 이론적으로 예측되어 왔다.

  양자 결 맞음은 양자컴퓨터 개발의 가장 큰 난제 중 하나로서 이를 오래 지속하는 것이 양자컴퓨터 연구의 관건이기도 하다.

  하지만 수십년 간 다양한 연구에도 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 실제로 만들어지지 않았던 것은 초전도체 사이에 들어갈 고 순도의 금속 층을 원자단위로 얇게 만드는 것이 어렵기 때문이었다.

  연구팀은 활용분야가 무궁무진해 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 그 해결방안으로 주목 오랜 기간 연구를 진행했다.

  탄소원자로 되어 있는 그래핀은 원자 하나의 두께를 가지고 있어 현존하는 가장 얇은 도체로도 알려져 있다.

  연구팀이 그래핀을 초전도체 전극 사이에 끼워 넣은 결과 초단간극 탄도성 조셉슨접합으로 볼 수 있는 전류 한계치는 물론 예상되었던 양자특성이 나타나는 것을 확인했다.

  연구를 주도한 POSTECH 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 원자단위의 소자구조 제어와 다양한 그래핀-초전도 양자소자 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.