기초지원연 "위상절연체 표면 전자특성 제어 쉬워진다"

공동연구를 위해 기초지원(연)을 찾은 그리스 ‘데모크리토스연구소’ 파파바실리우 책임연구원(좌측)과 기초지원(연) 김해진 책임연구원

[이데일리 오희나 기자] 최근 이세돌 9단과 구글의 인공지능 알파고간의 바둑 대결, 애플과 미국 연방수사국간에 아이폰 암호 해독 문제 등의 사례를 통해 양자컴퓨터로 대표되는 미래형 컴퓨터 개발에 대한 관심이 고조됐다.

양자컴퓨터는 노벨물리학상(1965년) 수상자인 리처드 파인만 교수에 의해 1982년에 그 개념이 제안됐으며, 반도체가 아닌 스핀을 기억소자로 활용하는 것으로 알려져 있다.

국내 연구진이 양자컴퓨터의 소재로 주목 받고 있는 위상절연체 표면의 전자특성을 제어할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 향후 위상절연체를 활용한 스핀트로닉스 소자 개발 및 양자컴퓨터 실용화에 한 걸음 더 다가서게 될 전망이다.

한국기초과학지원연구원(원장 이광식)은 전자현미경연구부 김해진 박사가 주도하고 그리스 국립과학원 ‘데모크리토스 연구소’, ‘요아니나 대학교’ 및 아랍에미레이트(UAE)의 ‘석유대학’이 참여한 국제 공동 연구팀이 2차원 전자가스 상태인 위상절연체 표면에서 라쉬바 효과에 의해 놀랄만한 표면 궤도자성이 나타남을 발견했다고 14일 밝혔다.

김해진 박사 연구팀은 3차원 위상절연체 물질로 주목받고 있는 비스무스셀레나이드(Bi2Se3)에 비스무스 층을 삽입하는 방법을 통해 표면의 반데르발스 갭(Van der Waals Gap)을 확장시킴으로써 전자도핑 효과를 만들어내고 이로 인한 궤도자성의 특성을 갖게 할 수 있음을 밝혀냈다.

위상절연체의 전자특성을 제어하기 위해서는 물질의 전자띠(Electron Band)의 강한 에너지 변화가 필수적이어서 스핀제어에 어려움이 있었다.

그러나 이번 연구로 전자의 스핀 상태를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지를 거의 사용하지 않고도, 빛의 속도로 전자전도가 가능한 디락전자(Dirac Electron)의 전도도를 제어할 수 있게 됐다.

또한 양자상태로 저장된 정보가 외부로 빠져 나가지 않고, 큐비트 안에 계속 유지하도록 해주기 때문에, 큐비트의 안정성을 중시하는 양자컴퓨터 실용화에 한 걸음 가까워지는 학문적 해결책을 제시한 것으로 평가 받는다.

이번 연구결과는 세계적인 과학잡지 네이처에서 발행하는 상위 5% 재료과학 전문 학술지인 ‘NPG Asia Materials’온라인판(논문명: Unexpected orbital magnetism in Bi-rich Bi2Se3 nanoplatelets, IF=10.118)에 지난 5월 말 게재됐다.

기초지원(연) 김해진 박사는 “이번 연구는 위상절연체의 전자스핀 상태를 물질의 삽입이라는 물리적 작용을 통해 에너지를 거의 사용하지 않으면서도 손쉽게 제어할 수 있다는 새로운 발견이 핵심”이라며 “향후 다양한 나노구조 물질과 위상절연체의 물리?화학적 특성 연구를 통해 스핀트로닉스 소자 개발 및 양자컴퓨터 실용화 등 다양한 응용방법을 제시해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

a) 나노 구조의 비스무스 셀레나이드 전자현미경 사진. b) 나노 구조의 비스무스 셀레나이드 단면 전자현미경 사진. c) 비스무스 층이 삽입된 비스무스 셀레나이드의 고배율 전자현미경 사진 및 원자 분포 이미지. d) 비스무스 층이 삽입된 비스무스 셀레나이드의 XRD 실험결과 및 이론적 계산 결과. e) 비스무스 층이 삽입된 비스무스 셀레나이드의 비스무스 핵자기공명 실험결과