원자 확산이 새로운 초전도체를 생성하다
Focus: Atomic Spreading Produces Novel Superconductors

위상 물질 위에서 금속 원자가 액체처럼 퍼지는 현상으로 초전도체를 생성할 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅에 도움이 될 수 있다.

위상 초전도체라고 불리는 저항이 없는 유형의 물질은 오류가 없는 양자 컴퓨터를 가능하게 한다. 그러나 그러한 물질을 만들기 위한 노력들은 지금까지 성공하지 못했다. 이제 연구자들은 최근에 개발된 위상 초전도체를 생성할 수 있는 제작 기술이 중요한 시험을 통과했다는 것을 보여주었다.1) 그들은 전류가 가장자리에만 제한되는 얇은 위상 절연체 위에 초전도층을 생성했다. 이 기술은 위상 절연체 표면 위로 액체처럼 퍼져, 새로운 결정 구조를 형성하여 증착된 “시드” 금속을 사용한다. 그 결과로 물질의 저항은 사라지지만, 이것이 위상 초전도체인지 여부를 확인하기 위한 추가 시험이 필요하다. 그렇지 않더라도, 연구자들은 이 기술을 사용하여 새로운 위상 초전도체를 만들 수 있을 것이라 기대한다.

다양한 형태의 물질들이 환경적 교란에 비교적 민감하지 않은 양자 역학적 현상에서 비롯되는 위상 전자 특성을 나타낸다. 이러한 견고성은 전자들이 집단 양자 상태를 형성할 것으로 예상되는 위상 초전도체를 사용한 계산에서 오류를 줄일 수 있다. 이 집단 양자 상태는 양자 비트(큐비트)로 사용될 수 있다. 위상 초전도체를 생성하기 위한 다양한 시도들이 결과를 내지 못했다. 2D 위상 물질에서 초전도성을 유도하는 한 기술이 있지만, 연구자들은 지금까지 몇 가지 특정 사례에서만 성공했으며, 이는 위상 초전도성의 존재를 확인하려는 노력을 제한한다고 프린스턴 대학교의 Sanfeng Wu는 말한다.

지난해, Wu와 그의 동료들은 2D 위상 초전도체를 제작하기 위한 일반적인 방법이 되길 바라는 기술을 개발했다.2) 이 기술은 금속 원자들을 얇은 절연 물질에 침투시키는 것을 포함한다. 두 고체가 접촉할 때 계면에서 원자가 혼합되는 것은 잘 알려져 있지만, 원자들은 일반적으로 단지 나노미터 거리만큼 확산되며, 이는 비균질한 방법이라고 Wu는 설명한다. 연구자들은 소량의 팔라듐(Pd) 금속 블록을 위상 절연체인 텅스텐 디텔루라이드(WTe₂) 단일 층 위에 놓고 온도를 200 °C로 올리면 원자들이 더 긴 거리를 이동할 수 있다는 것을 발견했다. 약 한 시간 후 팔라듐 원자들은 10 mm 너비의 영역으로 퍼졌다. “이것은 필름 위에 액체처럼 퍼지는 것과 같으며, 팔라듐이 1500 °C에서 녹는다는 점을 고려할 때 놀라운 일입니다.”라고 Wu는 말한다. 침투한 원자들은 이번에 관찰된 적이 없는 새로운 결정 구조인 Pd₇WTe₂를 형성했다.

연구자들은 이 새로운 물질이 초전도체라는 것을 확인했다. 더 나아가 그들은 다른 물질들을 탐구하여 원자 확산 기술이 다양한 재료에 적용될 수 있음을 보였다. 특히 주목할 만한 것은 텔루륨화 몰리브덴(MoTe₂)의 최근 실험에서 두 개의 단일 층이 약간 회전되어 쌍을 이루어, 비틀린 MoTe₂ 이중층이 분수 양자 변형 홀 효과라고 불리는 희귀한 위상 행동을 나타낸다는 것이 밝혀졌다.3) MoTe₂는 공기 중에서 분해되기 때문에 다른 물질과의 통합이 매우 어렵다. Wu와 그의 동료들은 팔라듐 시드를 사용하여 위아래로 질화 붕소층으로 보호된 비틀린 MoTe₂ 이중층에서 초전도성을 유도할 수 있었다.

연구자들은 그들의 기술이 2D 위상 물질에 초전도성을 도입하는, 고도로 맞춤화된 방법을 제공한다고 말한다. 원자 확산은 원하는 크기의 초전도 디스크나 링을 형성하도록 조절할 수 있으며, 결과적으로 생성된 “섬”은 브릿지로 연결하여 초전도 큐비트에 사용되는 조셉슨 접합과 같은 회로 부분을 형성할 수 있다. 대학원생 팀원 Yanyu Jia는 “이 기술을 사용하면 2D 물질을 장치들을 ‘그릴 수 있는’ 캔버스로 생각할 수 있습니다.”라고 말한다. 이러한 장치들은 초전도 상태의 특성들을 탐구하는데 사용할 수 있으며, 위상 초전도체에서 예상되는 독특한 행동을 밝혀낼 수 있다.

스위스 Basel 대학교의 나노 기술 전문가 Christian Schönenberger는 이 연구가 그의 팀이 최근 보여준 WTe₂의 초전도성 유도와 본질적으로 다르지 않다고 말했다.4) 그러나 Wu는 두 실험 사이에 주요한 차이점이 있다고 믿으며, 특히 그의 팀이 관찰한 더 넓은 영역으로 원자의 확산은 원자의 이동에 대한 새로운 메커니즘을 시사한다고 말한다. 독일 Cologne 대학의 재료 과학자인 Yoichi Ando도 새롭고 놀라운 화학과정이 작용한다는 것에 동의하며 “이 기술은 2D 물질 연구자들에게 새로운 제작 도구로서 넓은 영역에서 관심을 끌 것이라고 생각한다.”라고 말했다.

MoTe₂의 분수 양자 변형 홀 효과를 관측한 팀의 시애틀 Washington 대학교의 Xiaodong Xu는 “이것은 매우 흥미로운 결과이다”라고 말했다.3) 그는 이 새로운 기술은 필요에 따라 2D 초전도체를 제작할 수 있는 가능성을 제공한다고 말하며 “저는 이 강력한 접근법으로 가능해질 많은 새로운 장치 구조를 상상할 수 있다”고 Xu는 말한다. “사실, 제 연구 그룹은 이 연구를 접한 후 일부 결과를 이미 재현했다.”

스핀 큐비트에 대한 기계적 결합
Synopsis: Mechanical Coupling to Spin Qubits

진동하는 나노빔을 사용하여 고체 상태 스핀 큐비트 사이에 정보를 공유할 수 있으며, 복잡한 계산에서 이러한 큐비트를 사용할 가능성이 있다.

고체 상태의 큐비트는 양자 정보 플랫폼으로서의 가능성을 보여주지만, 큐비트 사이의 상호작용 거리가 너무 짧아서 많은 큐비트들을 함께 연결하기에는 한계가 있다. 이는 복잡한 계산에는 문제가 된다. 이제 하버드 대학교의 Frankie Fung과 동료들은 진동하는 나노빔을 이용한 기계적 방법을 고안하여 먼 거리의 스핀 큐비트를 연결함으로써 이 문제를 극복할 가능성을 제시했다.5)

일반적인 고체 상태 스핀 큐비트 중 하나는 다이아몬드 결정 내의 단일 원자의 결함인 질소 결함(NV) 센터이다. 이 시스템은 빛에 민감한 전자 스핀 상태(큐비트를 제어할 수 있는 장치)와 오래 지속되는 핵 스핀 상태(메모리 역할)를 모두 가지고 있어서 양자 정보 응용에 매력적이다. 그러나 NV 센터 간의 직접적인 상호작용은 수 나노미터로 제한된다.

연결 거리를 늘리기 위해서, Fung과 그의 동료들을 먼 거리의 NV 센터들 사이에 중개자로서 마이크로 자석이 장착된 나노빔을 사용하는 방안을 제안하였다. 이 아이디어는 주사 탐침 현미경 팁의 길이에 따라 NV 센터들을 한 라인으로 배치하고, 팁을 마이크로 자석 위로 움직인다. 특정 NV 센터가 마이크로 자석에 가까워지면 자기장 상호작용으로 나노빔의 진동 상태와 해당 NV 센터의 스핀 상태가 얽히게 된다. 이 양자 정보는 라인을 통하여 다음 NV 센터와 공유된다.

예비 실험에서, 연구자들은 나노빔에 위의 자석에 대한 단일 NV 센터를 움직였다. 측정 결과 NV 센터가 나노빔의 진동에 대한 정보를 저장한 것으로 나타났다. 그러나 이러한 측정에서 추론된 빔과 큐비트 사이의 결합은 양자 정보 응용을 위해서는 너무 약하다. 이를 해결하기 위하여 연구자들은 NV 센터와 나노빔 사이의 수직 거리를 줄여 결합을 강화할 수 있도록 실험 장치를 수정할 계획이다.

스핀 전류를 수송하는 새로운 방법
Synopsis: A New Way to Transport Spin Currents

마그논이라 불리는 자기파에 의해 운반되는 스핀 전류는 절연 자석을 사용하지 않고도 디바이스를 통해 전송될 수 있다. 이 결과는 실리콘 전자기기와 호환되는 스핀트로닉스 장치 개발로 이어질 수 있다.

스핀트로닉스는 컴퓨팅과 통신 응용에서 스핀 전류의 수송에 의존한다. 만약 전자와 마그논이라 불리는 자기파에 의해 스핀 전송이 가능하다면 새로운 디바이스 설계가 가능할 것이다. 그러나 마그논에 의한 스핀 전송은 일반적으로 전기적으로 절연된 자석이 필요한데, 절연 자석 물질은 실리콘 전자기기와 통합되기가 쉽지 않다. 독일 Bavarian Academy of Sciences and Humanities의 Matthias Althammer 박사와 동료들은 이러한 요구를 우회할 방법을 찾았다.6) 연구자들은 이 발견이 스핀트로닉스 응용 분야뿐 아니라 스핀 수송의 기초 연구에 중요한 영향을 미칠 수 있다고 한다.

이 개념을 입증하기 위해서 Althammer와 그의 동료들은 비자성 절연 기판 위에 두 개의 자기 금속 스트립을 놓았다. 각 스트립은 결합된 전자와 마그논이 진행한다. 연구자들은 첫 번째 스트립에서 전자 전하 전류를 전자 스핀 전류로 변환하였다. 이 스핀 전류들은 먼저 같은 스트립의 마그논으로 전달된 다음, 기판을 거쳐 두 번째 스트립의 마그논으로 전달되었으며, 마지막으로 두 번째 스트립의 전자들로 전달되었다. 연구자들은 이 스핀 수송을 두 번째 스트립에서 전자 스핀 전류를 전하 전류 변환하여 감지하였다.

Althammer와 그의 동료들은 두 스트립 사이의 스핀 수송이 온도와 스트립의 간격에 어떻게 의존하는지 연구했다. 이러한 측정들은 스트립 사이에 자기 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통하여 수송이 이루어졌음을 시사했다. 그러나 연구자들은 이것이 부분적 또는 전체적으로 기판의 결정 진동에 의해 발생할 수 있다는 가능성을 배제할 수 없었다. 연구자들이 이후의 연구들에서 이 문제를 해결하면, 이 원리를 기반으로 한 장치의 최적화에 도움이 될 것이다.