[이길호 ⋅조길영 교수 연구실] 마이크로파와 초전도 터널링 측정법을 이용해 지속적인 플로켓 상태 생성 및 측정

Caption: (왼쪽) 플로켓-안드레브 상태 측정 소자의 모식도. (중앙) 마이크로파의 세기에 따른 플로켓 스펙트럼 모식도. (오른쪽) 마이크로파의 세기에 따른 플로켓 상태 측정 결과. 마이크로파의 세기가 커질수록, 안드레브 상태 위, 아래로 플로켓 상태들이 생성된다. 

[이길호 ⋅조길영 교수 연구실] 마이크로파와 초전도 터널링 측정법을 이용해 지속적인 플로켓 상태 생성 및 측정

□ 빛으로 고체 물질의 양자 상태를 조절

빛과 물질의 상호작용을 통해 새로운 양자 상태를 설계하는 것은 물리학 분야 전반에 새로운 패러다임이 되어 가고 있다. 예를 들어 물질에 빛 등을 통해 시간에 대해 주기적인 외부 자극을 주면 물질의 본래 양자상태가 에너지 방향으로 복제되는 플로켓 상태가 있다. 상대성 이론에 따르면, 시간과 공간은 서로 독립적이지 않고 서로 밀접한 관계가 있다. 이에 따라 시간 상에서 주기적인 위치 에너지 변화는 에너지상의 양자 상태를 변형시킬 수 있다. 이를 통해 자연계에 존재하지 않는 양자상태를 인공적으로 만들 수 있으며, 이를 활용한 양자정보 분야로의 응용가능성도 넓게 열려 있다.

하지만 지금까지는 측정 방법 및 발열의 한계로 250 fs (1 펨토는 천조분의 일)이라는 아주 짧은 시간 동안 지속되는 플로켓 상태만 주로 연구되었다. 이렇게 짧게만 지속 시간 때문에 양자역학적 비평형 상태에 대한 정량적 분석이 불가했으며, 다른 플랫폼으로의 확장이 힘들었다.

□ 소재와 소자 혁신을 통해 이론적 한계 돌파

포스텍 이길호 교수 연구팀(공동1저자 박세인 통합과정 학생)은 마이크로파를 통해 오랫동안 지속되는 플로켓 상태를 최초로 구현하고, 동교 조길영 교수 연구팀(공동1저자 이원준 통합과정 학생)과의 공동연구를 통해 이론적 정량분석에 성공했다. 기존의 실험들은 높은 주파수를 가지는 광학 레이저를 사용하였기 때문에 그만큼 강한 빛이 필요했고 열도 많이 발생하여 지속가능한 플로켓 상태를 구현할 수 없었다. 이길호 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 낮은 주파수의 마이크로파를 빛으로 사용하였고, 그 결과 1조배 작은 빛의 세기로도 플로켓 상태를 만들 수 있었고, 열 발생이 현저히 줄었기 때문에 지속되는 플로켓 상태를 만들 수 있었다.

다만 낮은 주파수의 빛을 사용하는 만큼 플로켓 상태를 측정하기 위해서는 높은 에너지 분해능을 가지는 측정방식이 필요했다. 이길호 교수님 연구팀은 주사 전자 투과 현미경과 같이 복잡한 장비를 사용하는 대신, 나노 소자 공정 기술을 이용한 초전도 터널링 분석법을 통한 고분해능 측정방식을 개발했다. 이는 주사 전자 투과 현미경의 기술을 나노 소자에 접목시킨 것으로, 수백 나노미터 크기의 초전도 투과 접합을 제작하여 20 마이크로 전자 볼트의 에너지 분해능을 구현했다.

이길호 ⋅조길영 교수 연구팀은 이 연구를 통해 비평형 양자 상태의 대표적인 예시인 플로켓 상태를 연구할 새로운 플랫폼을 제시하였다. 앞으로는 마이크로파의 편광을 변화시키면서 위상학적 밴드 갭을 열 수 있을 것이라 기대되며, 다양한 시스템에 응용될 가능성이 있다.

이번 연구 성과는 저명 국제학술지 Nature 603, 421-426 (2022)에 3월 17일(한국시간)) 게재됐다.