양자 칩에서 더 나은 연결 다리 구축하기
Synopsis: Building Better Bridges on Quantum Chips

알루미늄 대신 나이오븀을 사용해 일부 구조를 제작하면, 보다 내구성이 높은 초전도 양자 컴퓨터를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

초전도 양자 컴퓨터가 점점 더 대형화되고 복잡해지면서, 큐비트를 제어하고 안정화하는데 사용되는 도파관과 커패시터를 칩 위에 배치하는 일이 어려워지고 있다. 이 문제에 대한 한 가지 해결책은 이러한 구성요소들을 칩의 다른 부분 위로 들어 올리는 것이다. 독일 Technical University of Munich의 Niklas Bruckmoser와 Leon Koch의 연구팀은 이러한 상승 구조를 개선하는 제작 방식을 새롭게 시연했다.1)

대부분의 초전도 양자 컴퓨터에서 이러한 구조를 가능하게 하는 ‘에어 브릿지(air bridge)’는 큐비트를 형성하는 조셉슨 접합과 동일한 재료인 알루미늄으로 제작된다. 일반적으로 조셉슨 접합을 먼저 제작한 뒤, 이후 제거되는 연성 지지대 위에 에어 브릿지를 형성한다. Bruckmoser와 Koch 연구팀은 재료와 제작 순서 모두를 변경했다. 이들은 에어 브리지를 알루미늄이 아닌 나이오븀으로 제작했다. 그러나 그에 앞서 연구팀은 연성 지지대 위에 임시로 알루미늄 층을 먼저 증착했다. 이러한 보호층이 없으면 나이오븀 원자들이 연성 지지대 내부로 침투해 불순물을 생성하고, 그 불순물들이 에어 브릿지 하부에 남게 된다. 이러한 공정은 다른 구성 요소들을 제작하기 전에 수행되었으며, 그 결과 기존의 알루미늄 구조물이라면 손상될 수 있었을 세정 방법을 나이오븀 에어 브릿지에는 적용할 수 있었다.

새로운 공정으로 제작된 도파관은 신호 손실이 극히 낮아 내부 품질 계수 8.2×10⁶을 초과했으며, 이는 상승되지 않은 도파관과 맞먹는 수준이다. 이 구조를 큐비트의 커패시터로 사용했을 때, 큐비트 수명의 중앙값은 51.6 마이크로초(μs)에 달했는데, 기록적인 수치는 아니지만 복잡한 양자 회로를 유지하기에는 충분히 긴 시간이다. 또한 나이오븀의 초전도 상태는 알루미늄보다 더 견고하기 때문에, 나이오븀 기반 장치는 더 높은 온도와 더 강한 자기장 환경에서도 작동할 수 있다.

빛의 흡수 한계를 넘어서다
Synopsis: Breaking the Absorption Limit

초박막 전도성 박막을 스치듯 통과하는 빛은 기존에 알려진 것보다 훨씬 더 강하게 흡수될 수 있다.

그래핀과 같은 초박막 전기 전도성 박막은 소형 광전자 장치에서 빛을 흡수하는 데 유용하다. 그러나 기존의 통념에 따르면 이러한 물질은 입사하는 빛의 최대 50% 정도만 흡수할 수 있어, 장치의 효율이 제한되는 것으로 여겨졌다. 이제 중국 Soochow University의 Jie Luo와 공동 연구자들은, 이러한 박막을 스치듯 입사하는 빛에 대해서는 최대 82.8%의 흡수 한계에 도달할 수 있음을 보여주었다.2) 이 발견은 장치 효율을 향상시킬 잠재력을 지닐 뿐만 아니라, 빛의 파장보다 훨씬 작은 스케일에서 물질과 빛의 상호작용에 대한 물리학자들의 이해를 한층 심화시킨다.

기존에 가정되었던 50% 흡수 한계는 근본적인 물리적 제약에서 비롯된다. 빛이 초박막에 입사해 일부는 반사되고 일부는 투과될 때, 박막과 평행하면서 바로 위쪽에 존재하는 전체 전기장은 박막과 평행한 바로 아래쪽의 전기장과 같아야 한다. 균일한 환경에서는 이러한 제약 때문에 반사되는 빛과 투과되는 빛의 양 사이에 일정한 관계가 형성된다. 그 결과, 흡수율의 상한이 50%로 제한된다. 이 한계는 일반적으로 빛의 주파수, 편광, 입사 방향과 무관한 것으로 여겨져 왔다. 또한, 스치듯 입사하는 빛에 대해서는 흡수가 거의 일어나지 않는 것으로 생각되었다.

Luo와 그의 공동 연구자들은 스치듯 입사하는 빛의 경우를 이론적으로 분석했고, 이 상황에서는 전기장 제약이 반사-투과 사이의 고정된 관계를 강제하지 않는다는 사실을 발견했다. 이러한 차이로 인해, 넓은 주파수 범위에서 흡수 한계가 50%를 넘어설 수 있으며, 박막의 조성에 따라 결정되는 특정 주파수에서 보편적인 최댓값인 82.8%에 도달할 수 있다. 연구진은 테라헤르츠 주파수 영역의 빛과 초박막 실리콘 박막을 이용해 이 결과를 실험적으로 확인했다. 그 결과, 0.03~3 THz 범위에서 흡수 한계가 50%를 넘어섰으며, 약 0.3 THz에서 최댓값에 도달함을 확인했다.

반강자성에서 나타나는 다이오드 유사 거동
Focus: Diode-Like Behavior Arising from Antiferromagnetism

지그재그(zigzag) 자기 구조를 갖는 반강자성체에서 다이오드 효과가 나타나며, 이는 스핀트로닉스 분야에 활용될 가능성이 있다.

전통적인 다이오드에서는 내부 전하 불균형으로 인해 전류가 한 방향으로만 흐른다. 이제 연구자들은 지그재그 자기 구조를 지닌 반강자성체에서 다이오드와 유사한 효과가 나타남을 보여주었다.3) 근본적인 매커니즘은 기존 다이오드와는 다르다. 지그재그 자기 구조가 전류의 한 방향 흐름을 선호하도록 하는 결합된 자기장과 전기장을 만들어내기 때문이다. 이 반강자성체에서 나타나는 다이오드 효과의 세기는 비교적 작지만, 연구팀은 이를 기존 회로용 다이오드로 활용하기보다는 전자 스핀을 이용하는 스핀트로닉스 장치에 응용할 가능성을 전망하고 있다.

전형적인 다이오드는 서로 다른 전하 운반자를 가진 두 반도체의 접합으로 이루어진다. 이 접합에서의 전하 불균형은 전류가 한 방향으로만 흐르도록 제한한다. 원리적으로는 단일 물질에서도 다이오드와 유사한 거동이 나타날 수 있지만, 이를 위해서는 물질의 내부 구조가 특정한 방식으로 비대칭성을 가져야 한다. 이러한 비대칭성은 두 가지 효과를 만들어야 하는데, 하나는 내부 전기장이고 다른 하나는 내부 자기장이다. 이 두 장이 서로 수직일 때, 물질을 통과하는 전자에 한쪽 방향으로만 작용하는 힘, 즉 토로이드 모멘트(toroidal moment)가 발생한다고 일본의 Tohoku University의 Kenta Sudo는 설명한다.

내부 전기장과 내부 자기장을 모두 지닌 물질로는 다강체(multiferroics)가 있지만, 이들은 대개 전도성이 없어 다이오드로 작동할 수 없다. 그러나 최근 실험에서는 구조적으로 비대칭적인 도체에 외부 자기장을 가했을 때 다이오드 효과가 나타난다는 사실이 보고되었다. 이러한 실험에서는 외부 자기장이 내부의 비대칭성과 결합해 원하는 토로이드 모멘트를 만들어낸다. 이제 Sudo와 그의 공동 연구자들은 외부 자기장이 필요 없는 다이오드 효과를 발견했다. 이 효과는 반강자성체에서 나타나는데, 반강자성체는 자기 요소, 즉 스핀이 위와 아래 방향으로 번갈아 배열된 물질이다.

이 물질은 NdRu₂Al₁₀으로, 전도성을 지닌 반강자성체이며 자기 스핀이 지그재그 형태로 배열되어 있다. 이러한 스핀 배열은 물질의 결정 비대칭성과 결합해, 결정 구조의 층마다 서로 다른 자기장과 전기장을 형성한다. Sudo와 공동 연구자들은 이러한 장들의 조합이 트로이드 모멘트를 만들어내고, 그 결과 반강자성체에서 다이오드와 유사한 거동, 즉 비가역 수송(nonreciprocal transport)을 유도한다고 예측했다.

이 가능성을 탐구하기 위해 연구진은 NdRu₂Al₁₀ 단결정을 성장시킨 뒤, 이를 얇은 시료 형태로 가공했다. 이후 각 시료에 교류 전류를 인가하고, 다양한 극저온 온도에서 저항을 측정했다. 전이 온도인 2.4 K 이상에서는 물질이 비자성 상태에 있어 양방향에서의 저항이 동일했다. 그러나 전이 온도 이하에서는 한 방향의 저항이 다른 방향보다 크게 나타났다. 이때 선호되는 전류 방향은 결정 구조에 대한 스핀 배열 방식에 따라 달라졌다.

비가역 전도도 σ(2)는 전류가 정방향과 역방향으로 흐를 때 전기적 응답이 얼마나 다르게 나타나는지를 나타내는 지표이다. 연구팀이 NdRu₂Al₁₀에서 측정한 σ(2)의 값은 기존 다이오드에 비하면 훨씬 작지만, 자기장에 의해 유도되는 다이오드 효과와 비교하면 천 배 이상 큰 수준이다.

Sudo는 이번 연구의 의의가 실용적인 다이오드 제작이 아니라, 단일 벌크 물질이 고유한 전자·자기 구조만으로도 큰 비가역 응답을 보일 수 있음을 보여준 데 있다고 말했다. 그는 이번 실험이 비가역적 전하 수송의 새로운 고유 매커니즘을 제시하며, 다른 물질 연구에도 도움이 될 것이라고 했다.

Sudo는 이 효과가 반강자성체의 비가역적 저항을 이용해 내부 스핀 배열에 저장된 정보를 읽어내는 스핀트로닉스에 활용될 수 있다고 설명한다.

연구팀은 비가역 전하 수송을 일으키는 다른 대칭 기반 매커니즘을 지닌 물질들을 추가로 탐색할 계획이며 자기 대칭성, 전자 구조, 비가역 수송을 연결하는 이론적 틀을 구축하고자 한다.

자성 물질과 초전도체에서의 비가역 응답을 연구해온 일본 Kyoto Univ.의 Youichi Yanase는 연구진이 전도도에 미치는 간접적 효과로 자기 토로이드 모멘트를 성공적으로 관측했으며, 이 성과가 반강자성 스핀트로닉스 발전에 기여할 것이라고 밝혔다.