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연세소식

[연구 프론티어] 김재훈 교수·조만호 교수 공동연구팀, 양자 정보통신기술 구현에 한걸음 다가가

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2015-05-01


김재훈 교수·조만호 교수 공동연구팀, 양자 정보통신기술 구현에 한걸음 다가가

상온에서 활용 가능한 위상절연체 기반소재 확보증발형 분자선속증착법으로 합성된 위상부도체 박막에서 테라헤르츠 파를 이용하여 양자 최소전도 현상 관측

  

물리학과 김재훈 교수와 조만호 교수 공동연구팀이 증발형 분자선속증착법으로 비스무스-셀레늄 위상절연체 초박막을 제작한 후 테라헤르츠 파를 이용하여 상온 및 대기 환경에서 양자 최소전도성을 확인했다. 위상절연체는 기존의 금속이나 반도체와 달리 전자 구조의 독특한 위상적 성격 때문에 내부적으로는 절연체로서 전기가 통하지 않지만 표면에서는 양자 최소전도성을 보여주는 특이한 금속성 전자 상태를 갖는다. 이러한 위상표면상태는 기본전하량과 플랑크 상수로 정해지는 만유전도양자를 갖게 된다. 이러한 최소전도 현상은 원리적으로 가장 낮은 전력으로 전자소자를 구동 할 수 있어 초절전 소자로 활용할 수 있다. 또한 전자의 스핀과 진행방향이 수직으로 유지되면서 전자의 후방 산란이 근본적으로 억제되어 높은 전자 이동도를 얻을 수 있어 초고속 소자로의 응용이 기대된다.

미국을 비롯한 선진국에서는 이미 위상절연체 표면에 정렬된 스핀을 이용하는 새로운 방식의 스핀 트랜지스터 소자 개발에 노력해왔다. 하지만 지금까지는 위상표면상태의 관찰과 조작이 저온과 고진공 조건에서만 가능했고, 구조적 결함 때문에 도핑과 게이팅 등 추가적 조건의 유지가 필요해 실용화되지 못하고 있었다.

공동연구진은 분자선속증착법으로 물질형성의 최적 조건에 근접한 후 증발처리를 통해 물질 스스로 완벽한 결정 구조를 찾아가도록 유도하는 방법을 썼다. 통상적인 전기전도실험 대신 테라헤르츠 펄스파를 이용하여 비 파괴 비접촉 방식으로 양자전도 현상을 관찰했다.

 

<네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>지 게재

김재훈 교수는 “미래 양자 정보통신 기술(Quantum Information and Communication Technology) 선점을 위해서는 상온과 대기 환경에서 안정적으로 구동이 가능한 위상절연체 기반 양자 전자소자 개발이 필요하다.”며 “이번 연구로 이러한 소자의 근간이 되는 양자전도 소재를 제공하게 되었고 이를 기반으로 다양한 양자 물성을 관측하고 소자 작동 원리를 시험해 볼 수 있는 바탕이 마련된 것”이라고 설명했다.

연구에는 김재훈 교수와 조만호 교수 외에 같은 학과 정광호 교수, 광주과기원 신소재공학과 조병기 교수와 강보연 박사과정생, 표준과학연구원의 김정원 박사가 참여했다. 우리 대학교의 박병철 박사(현 소속 카이스트)와 김태현 박사과정생이 공동 제1저자로 등재됐으며, 심경익 박사과정생이 제2저자로 참여했다.

이번 연구결과는 세계적인 과학기술 학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>지 3월 16일자에 실렸다.

 

vol. 579
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