원자 수준 초전도 갭 조정 초전도성 정밀 제어

일본 리켄(RIKEN) 신생 물질 과학 센터(CEMS) 과학자들은 층상 장치 내에서 원자 수준 얇은 층을 간단히 꼬아 초전도성을 제어하는 ​​획기적인 방법을 발견했다.

초전도성(superconductivity)은 에너지 효율적인 기술과 양자 컴퓨팅을 개발하는 데 필수적인 현상이다. 꼬임 각도를 조정하여 이러한 재료의 동작에서 핵심적인 역할을 하는 “초전도 갭(superconducting gap)”을 미세하게 조정할 수 있었다.

이 연구는 Nature Physics저널에 20일(현지시각) 게재됐다.

초전도 갭은 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)을 분리하는 데 필요한 에너지 임계값이다. 쿠퍼 쌍은 저온에서 초전도성을 가능하게 하는 결합된 전자 쌍이다. 갭이 클수록 초전도성이 더 높고 접근하기 쉬운 온도에서 지속될 수 있다. 갭을 조정하는 것도 나노 스케일에서 쿠퍼 쌍 동작을 최적화하는 데 중요하다. 이는 양자 컴퓨터 등 양자 장치 혁신에 기여할 수 있다.

지금까지 대부분의 초전도 갭 제어 노력은 ‘실제 공간’에서 입자들의 물리적 배열을 조정하는 데 집중됏다. 그러나 시스템의 에너지 상태를 나타내는 ‘운동량 공간’에서 이를 제어하는 것은 도전적인 과제였다. 이번 연구는 운동량 공간에서 초전도 갭을 제어하는 정밀한 방법을 제시하여, 차세대 초전도체와 양자 기술 개발에 중요한 전환점을 마련했다.

연구팀은 그래핀 기판 위에 증착된 초전도체인 이탈륨 디셀레나이드(niobium diselenide)의 초박형 층을 사용했다. 고급 기술인 분광 이미징 주사 터널링 현미경(SITM)과 분자빔 증착(MBE)을 활용하여 층들의 비틀림 각도를 정밀하게 조정했다. 이 조정은 운동량 공간 내의 초전도 갭에서 측정 가능한 변화를 생성하여 초전도 특성을 정확하게 조정하기 위한 새로운 “노브”를 잠금 해제했다.

논문 제1저자 CEMS 마사히로 나리츠카(Masahiro Naritsuka)는 “우리의 연구 결과는 꼬임이 목표 운동량 영역에서 초전도 갭을 선택적으로 억제하여 초전도성에 대한 정밀한 제어 메커니즘을 제공한다는 것을 보여준다.”며 “놀라운 발견 중 하나는 초전도 갭 내에서 두 재료의 결정학적 축과 일치하지 않는 꽃 모양의 변조 패턴이 나타났다는 것이다. 이는 초전도 특성을 형성하는 데 꼬임의 고유한 역할을 강조한다.”고 말했다.

연구에 참여한 CEMS 테츠오 하나구리(Tetsuo Hanaguri)는 “단기적으로, 우리의 연구는 초전도 시스템과 층간 상호 작용에 대한 이해를 심화시켜 맞춤형 특성을 가진 초전도체 설계를 발전시킨다. 장기적으로는 에너지 효율적인 기술, 양자 컴퓨팅 등을 개발하기 위한 기반을 마련한다.”고 밝혔다.

이어 그는 “다음 단계는 스핀과 운동량 선택성을 모두 가능하게 하기 위해 자기 층을 구조에 통합할 수 있는지 조사하는 것”이라며 “이러한 발전은 새로운 연구 기회를 열어주고 혁신적인 재료와 장치를 개발할 수 있는 길을 열 수 있다.”고 덧붙였다.