그래핀으로 만든 새로운 초전도 양자 간섭 소자

두 원자 층을 조금 비틀어 만든 이중층 그래핀 결정은 연구자에게 특히 흥미롭다.

약 1년 전 스위스 연방공대(ETH Zurich)의 고체 상태 물리학 연구소 연구팀은 꼬인 그래핀(graphene)을 사용하여 초전도 장치의 기본 구성 요소인 조셉슨 접합(Josephson junctions)을 생성할 수 있음을 입증할 수 있었다.

이 연구를 기반으로 연구원들은 이제 초전도 준입자의 간섭을 입증하기 위해 꼬인 그래핀애서 최초의 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 생산할 수 있다. 기존의 SQUID는 이미 의학, 지질학 및 고고학 분야에서 사용되고 있다. 민감한 센서는 자기장의 가장 작은 변화도 측정할 수 있다. 그러나 SQUID는 초전도 물질과 함께만 작동하므로 작동 시 액체 헬륨 또는 질소로 냉각해야 한다.

양자 기술에서 SQUID는 양자 비트(큐비트)를 호스팅할 수 있다. 즉, 양자 연산을 수행하기 위한 요소로 사용된다. 토마스 인(Thomas Ihn)과 함께 연구를 주도한 클라우스 엔슬린(Klaus Ensslin)은 “SQUID는 반도체 기술에 있어 트랜지스터가 더 복잡한 회로를 위한 기본 빌딩 블록인 것처럼 초전도성에 있어 트랜지스터”라고 설명했다.

박사 과정 학생인 엘리아스 포토레스(Elías Portolés)가 만든 그래핀 SQUID는 알루미늄으로 만든 기존 제품보다 민감하지 않으며 절대 영도보다 2도 높은 온도로 냉각해야 한다. Ensslin은 “따라서 SQUID 기술의 획기적인 것은 아니다. 그러나 그래핀의 응용 스펙트럼을 크게 넓힌다. 5년 전에 우리는 이미 그래핀이 단일 전자 트랜지스터를 구축하는 데 사용될 수 있음을 보여줄 수 있었다. 이제 우리는 초전도성을 추가했다”고 말했다.

주목할 만한 것은 전극을 바이어스함으로써 그래핀의 거동을 목표 방식으로 제어할 수 있다는 것이다. 인가되는 전압에 따라 물질은 절연성, 전도성 또는 초전도성일 수 있다. Ensslin은 “고체 물리학이 제공하는 다양한 기회를 자유롭게 사용할 수 있다”고 말했다.

그는 “또 흥미로운 것은 반도체(트랜지스터)와 초전도체(SQUID)의 두 가지 기본 빌딩 블록이 이제 단일 재료로 결합될 수 있다는 것이다. 이를 통해 새로운 제어 작업을 구축할 수 있다. 일반적으로 트랜지스터는 실리콘으로 만들어지고 SQUID는 알루미늄으로 만들어진다”고 설명했다.

그래핀의 초전도성은 5년 전 MIT 연구 그룹에 의해 발견되었지만 이 현상을 관찰하는 실험 그룹은 전 세계적으로 12개 정도에 불과하다. 초전도 그래핀을 기능 구성요소로 전환할 수 있는 것은 훨씬 더 적다.

문제는 과학자들이 몇 가지 섬세한 작업 단계를 차례로 수행해야 한다는 것이다. 첫째, 그래핀 시트를 서로에 대해 정확한 직각으로 정렬해야 한다. 다음 단계에는 전극과 에칭 홀 연결이 포함된다. 클린룸 공정 중에 자주 발생하는 것처럼 그래핀이 가열되면 두 층이 비틀림 각도를 재정렬해 사라진다.

Portolés는 “전체 표준 반도체 기술을 재조정해야 하므로 매우 어려운 작업”이라고 말했다.

다양한 큐비트 기술이 현재 평가되고 있으며 각각의 장점과 단점이 있다. 대부분의 경우 이것은 국립 양자 과학 및 기술 역량 센터(National Center of Competence in Quantum Science and Technology, QSIT) 내의 다양한 연구 그룹에서 수행하고 있다. 과학자들이 그래핀을 사용하여 이러한 시스템 중 두 개를 연결하는 데 성공하면 그 이점도 결합할 수 있다. Ensslin은 “결과는 동일한 결정에 두 개의 다른 양자 시스템이 될 것”이라고 말했다.

이것은 또한 초전도에 대한 연구를 위한 새로운 가능성을 생성할 것이다. 그는 “이러한 구성 요소를 사용하면 그래핀에서 초전도가 처음에 어떻게 발생하는지 더 잘 이해할 수 있을 것”이라며 “오늘날 우리가 알고 있는 것은 이 물질에 초전도의 여러 단계가 있다는 것뿐이다. 그러나 우리는 아직 이를 설명할 이론적 모델이 없다”고 덧붙였다.

이번 연구는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 게재됐다.