우리 연구진이 수년간 양자신호 해석 걸림돌이었던 '맥놀이' 신호 발생 원인을 규명했다. 한국표준과학연구원(원장 이호성)이 광주과학기술원(GIST)과 함께 이룬 세계 최초 성과다. 이번 성과는 위상 양자소자 신호 해석과 원하는 전자 상태 구현에 기준을 제시한다.
분석 결과, 표면 위상 전자 상태와 그 아래 일반 전자 상태가 만든 서로 다른 양자진동이 겹치면서 맥놀이가 발생한 것으로 확인됐다.
위상절연체는 표면에 특수한 전자 상태가 존재하는 양자물질을 뜻한다. 가느다란 나노선으로 만들면 표면 전자가 둘레를 따라 이동하고, 자기장을 가했을 때 서로 다른 경로를 지난 전자 파동이 간섭해 전도도가 규칙적으로 변하는 '아하로노프-봄(AB) 진동'이 나타난다. 그런데 실제 위상절연체에서는 도핑 등 영향으로 표면 바로 아래에도 전자가 흐르는 얇은 층이 생길 수 있다. 이 층 역시 전자의 이동 경로가 될 수 있지만, 위상 표면 상태와 함께 AB 진동에 참여하는지는 그동안 불분명했다.
이 의문을 풀 단서는 열전 실험에서 나왔다. 연구진은 안티몬(Sb)을 첨가한 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선에서 AB 진동이 열전 현상에서도 나타나는지 확인하던 중 맥놀이를 발견했다.
수년에 걸친 추적과 분석 끝에 연구진은 맥놀이가 '위상 표면 상태(TSS)'와 표면 아래 일반 전자층인 '2차원 전자기체(2DEG)'에서 비롯된 진동 성분들이 겹치며 나타난다는 결론을 내렸다. 두 전도 상태를 지나는 전자 경로가 나노선을 감싸는 면적이 미세하게 달라 서로 다른 주기의 진동이 생기고, 이들이 중첩되어 맥놀이를 일으킨다는 사실을 밝혔다.
이번 연구는 위상 표면 상태를 확인하는 주요 신호로 활용돼 온 AB 양자간섭에 일반 전자 상태도 참여할 수 있음을 명확히 입증한 성과다. 이를 통해 향후 위상절연체의 양자수송 신호를 오차 없이 정확히 해석하고, 원하는 양자 상태를 정밀하게 제어하기 위한 명확한 기준을 제시했다.
배명호 책임연구원은 “전자가 위상 상태뿐 아니라 일반 전자 상태도 오가며 양자간섭할 수 있음을 보여준 성과”라고 밝혔고, 최상준 GIST 교수는 “서로 다른 전자 상태의 간섭을 이해하고 제어하는 원리는 향후 위상 양자소자 설계에도 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 '나노 레터스'에 지난달 게재돼 해당 호 표지논문으로 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
