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이승훈 미국 메릴랜드대 박사 후 연구원(부산대 나노과기대 박사)이 참여한 국제 공동연구팀이 입자가 장벽을 통과하는 '클라인 터널링' 현상을 규명했다.
연구팀은 입자가 장벽을 만나도 튕겨져 나오지 않고 100% 통과해 버리는, 상대론적 양자역학이 만든 이 모순 현상을 관찰하고 그 결과를 '네이처' 표지 논문으로 발표했다.
메릴랜드대 연구팀은 이 현상을 관측하기 위해 먼저 붕소 화합물 계열의 위상절연체·초전도체 이중 구조의 박막을 제작했다. 이 박막은 상대론적 양자역학이 적용되는 특이한 초전도 특성을 띠고 있다. 이 초전도 박막에 일반 금속 팁을 접촉시켜 금속 전자가 통과하면서 나오는 신호를 측정했다.
금속에서 초전도체로 전자를 흘려보내면 전자는 계면에서 튕겨 나오고, 이 때 반사된 전자의 신호를 관측할 수 있다. 반면 상대론적 양자역학이 적용되는 특이한 초전도체는 반사하는 전자 없이 모든 전자를 100% 통과시켰다.
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이 연구 성과는 양자정보소자, 양자센서 등 다양한 소자 개발에 유용할 것으로 기대를 모으고 있다. 상대론적 양자역학이 적용되는 물질은 전류와 스핀을 동시에 제어하는 '스핀트로닉스', 양자상태를 연산에 이용하는 '양자컴퓨팅' 기술에 응용할 수 있다.
이승훈 연구원은 논문 제1저자(교신저자 이치로 타케우치 메릴랜드대 교수)로 이름을 올렸다. 현상 관측을 위한 소재의 물리적 특성 연구와 제작, 구조 디자인, 양자 수송 특성 측정 등을 이끌었다.
이 연구원은 “양자역학이 적용되는 미시세계는 '양자 터널링'에 의해 입자가 장벽을 통과할 수 있는 '확률'은 존재하지만 튕겨져 나올 '확률'이 더 크다. 하지만 양자역학이 상대성이론을 만나면 상상할 수 없는 현상이 벌어진다”면서 “이 현상을 잘 활용하면, 개별 소자의 동일성이 매우 중요한 전자부품 기술 개발에 혁신을 가져올 것”이라 말했다.
이 연구원은 부산대 나노과학기술대에서 학사·석사·박사 과정을 마치고, 고려대 기초과학연구소 전문연구요원과 물리학과 연구교수를 거쳐 메릴랜드대 나노물리신소재센터 박사 후 연구원으로 근무하고 있다.
부산=임동식기자 dslim@etnews.com