[이길호 교수] 초전도 소자의 양자속박상태 조절법 제시

초전도 소자의 양자속박상태 조절법 제시

- POSTECH 연구팀, 조셉슨 접합의 양자특성을 손쉽게 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시

포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 이길호 교수, 조길영 교수 연구팀은 일본 국립재료과학연구소(NIMS) Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 겹층 그래핀(bilayer graphene) 기반 조셉슨 접합 (Josephson junction)의 성질을 결정짓는 안드레예프 속박 상태 (Andreev bound states)의 양자역학적 특성을 게이트 전압 인가를 통해 성공적으로 조절하였다. 이번 연구는 미국 국제 학술지 ‘Physical Review Letters’ 에 최근 게재됐다. 

조셉슨 접합은 두 초전도체 사이 매우 얇은 일반 도체를 통해 초전류가 흐를 수 있는 소자로, 양자컴퓨터, 고정밀 양자 센서, 저전력 및 고속 전자 소자 등에 활용되고 있다. 두 초전도체 사이에 위치한 겹층 그래핀에 속박된 전자는 ‘안드레예프 속박 상태‘란 양자화된 에너지 상태로 존재하게 되며, 이는 조셉슨 접합의 작동 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 이번 연구는 겹층 그래핀의 에너지 분산 특성을 게이트 전압으로 조절하여 초전도 결맞음 길이를 제어하고, 이에 따른 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 분산 및 개수를 실시간으로 손쉽게 조절하는 방법을 제시한다.

다양한 양자정보소자로서 응용 가능성이 높은 조셉슨 접합의 전기적 특성은 소자를 구성하는 일반금속의 전도층에 존재하는 안드레브 속박 상태의 에너지-위상 관계와 밀접하게 관련되어 있다. 이 속박 상태는 전도 채널의 길이와 초전도 결맞음 길이(superconducting coherence length)의 비율에 따라 에너지 준위 분산 및 개수가 변화하는 특성을 가지는데, 일반적으로 준위 개수가 1쌍일 때는 짧은 접합 한계(short junction limit)에 있다고 하며 2쌍 이상일 때는 긴 접합 한계(long junction limit)에 있다고 한다. 이러한 준위 개수는 조셉슨 접합의 양자정보 소자로서의 역량을 조절하는 중요한 변수가 될 수 있다.

본 연구팀은 겹층 그래핀의 이차 함수와 유사한 에너지 분산 관계를 이용하여 게이트 전압을 인가하면 초전도 결맞음 길이를 실시간으로 제어할 수 있다는 사실에 착안하여 연구를 진행하였다. 본 연구팀에서 기존에 개발한 터널링 분광법(tunneling spectroscopy)을 활용하여 다양한 게이트 전압에서 안드레예프 속박 상태를 실시간으로 변화함을 관측하는 데 성공하였으며 이론적 계산과도 잘 일치한다는 사실을 보였다.