[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 양자기술연구소 양자역학계팀이 세계최초로 니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 그 특성을 검증하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

표준연 연구팀이 개발한 니오븀 기반 나노전기역학 소자는 기존의 알루미늄을 기반으로 한 소자보다 더 실용적인 온도와 자기장 환경에서 활용할 수 있는 것으로 알려진다. 이를 통해 양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 응용된다.

초전도 나노전기역학 소자 개념 [자료=한국표준과학연구원] 2021.04.14 biggerthanseoul@newspim.com

초전도체 기반 양자소자는 기가헤르츠(GHz)의 전자기파인 마이크로파를 이용해 '초전도 큐비트'라는 양자 상태를 제어하거나 측정한다. 알루미늄과 니오븀 모두 극저온에서는 초전도 특성을 보인다. 니오븀은 온도 및 자기장과 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받다보니 다양한 활용이 가능한 것으로 알려졌다.

다만, 강한 전기역학의 상호작용을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 조건인 기판 전극으로부터 소자를 100 nm(나노미터; 10억분의 1m) 수준으로 띄워 유지하는 기술이 없어 잔유응력 등을 제어하기는 어려운 실정이었다.

이런 상황 속에서 연구팀은 2년의 연구 끝에 니오븀 증착 조건을 최적화해 잔류응력을 제어했고 이를 기반으로 세계최초로 니오븀 나노전기역학 소자를 제작하는 데 성공했다. 이번에 개발한 소자를 이용한 마이크로파도 제어할 수 있게 됐다.

이번에 개발한 소자는 강한 전기역학적 상호작용을 통해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1000배 이상 줄일 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

차진웅 표준연 선임연구원은 "이번에 개발한 소자를 활용해 다양한 양자정보장치를 원격으로 연결하는 마이크로파-광신호변환 장치를 개발할 것"이라며 "소규모 양자 네트워킹을 넘어, 다양한 양자 시스템 간 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷을 구현하는 데 도움을 줄 것"으로 내다봤다.

이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Letters, IF: 11.238)에 게재됐다.

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