[POSTECH·日NIMS, 이중층 그래핀 기반 초전도 소자의 양자 특성 제어하는 새로운 방법 발견]

물리학과 이길호 교수 · 조길영 교수 연구팀은 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 켄지 와타나베(Kenji Watanabe) 박사 · 타카시 타니구치(Takashi Taniguchi) 박사팀과의 공동 연구를 통해 이중층 그래핀 기반 안드레예프 속박 상태(Andreev bound states)^*1의 양자역학적 특성을 게이트 전압^*2으로 제어하는 데 성공했다. 이 연구는 물리학 분야 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 최근 게재됐다.

초전도체는 영하 200도 이하와 같은 극저온 및 고압 등 특정한 환경에서 전기 저항이 0이 되는 물질이다. 두 초전도체 사이에 매우 얇은 일반 도체를 삽입하면 초전도성이 일반 도체에 스며드는 근접 효과(Proximity effect)로 인해 일반 도체를 통해 초전류가 흐르는 현상이 발생하는데, 이를 조셉슨 접합(Josephson junction)^*3 구조라고 한다. 이때 일반 도체에는 안드레예프 속박 상태 (Andreev bound states)라는 새로운 양자 상태가 형성되며, 이는 일반 도체에 흐르는 초전류를 매개하는 중요한 역할을 한다.

조셉슨 접합의 전기적 특성을 결정하는 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 개수는 전자들이 자유롭게 이동할 수 있는 ‘전도 채널 길이(Conduction channel length)’와 초전도 상태가 형성된 ‘초전도 결맞음 길이(superconducting coherence length)^*4’ 비율에 따라 달라진다. 전도 채널이 짧아 안드레예프 속박 상태 준위가 한 쌍으로 제한되는 경우, ‘짧은 접합 한계(short junction limit)에 있다’고 말하며, 두 쌍 이상일 때는 ‘긴 접합 한계(long junction limit)에 있다’고 한다.

이번 연구에서 연구팀은 게이트 전압을 이용해 이차 함수와 유사한 이중층 그래핀 전자 상태와 에너지 분포, 초전도 결맞음 길이를 실시간으로 제어했다. 연구팀은 이전 연구를 통해 개발한 터널링 분광법(tunneling spectroscopy)으로 다양한 게이트 전압에서 안드레예프 속박 상태 변화를 실시간으로 관측하는 데 성공했으며, 실험 결과가 이론적 계산과도 일치함을 확인했다.

제1저자인 POSTECH　양자정보소자 인력양성 연구센터 박건형 연구원은 ”짧은 조셉슨 접합 한계에서 주로 관측되던 안드레예프 속박 상태를 긴 조셉슨 접합 한계에서 명확하게 관측했다“라며, ”게이트 전압을 가해주는 것만으로 에너지 준위의 수를 쉽게 조절할 수 있어 양자 컴퓨팅과 고정밀 양자 센서 등 다양한 양자 정보 소자 분야에 활용될 수 있을 것이라 기대한다“라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 대학정보통신연구센터 협의회, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술 육성사업, 삼성전자, 기초과학연구소, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI)의 지원으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.226301

1. 안드레예프 속박 상태(Andreev bound states)
일반 도체가 포함된 Josephson junction에서 초전도체와 일반 도체의 경계에서 전자-정공 쌍이 반사되어 형성되는 에너지 상태. 조셉슨 접합의 전기적 특성에 밀접한 연관이 있다.

2. 게이트 전압
전류의 흐름을 시작하거나 멈추는 등 전자의 흐름을 제어하기 위한 제어 전압이다.

3. 조셉슨 접합(Josephson junction)
초전도체 사이에 초전도 결맞음 길이보다 짧은 비초전도체(일반 금속 혹은 부도체. Weak link 라고도 한다)를 삽입했을 때 이 비초전도체를 통해 초전류를 매개하는 쿠퍼 쌍(Cooper pair)이 전도될 수 있는 소자를 말한다.

4. 초전도 결맞음 길이(Superconducting coherence length)
초전도체에서 쿠퍼 쌍을 유지할 수 있는 길이의 척도. 일반적으로 초전도성을 유지할 수 있는 영역의 크기를 의미한다.