– 최상위 국제학술지 ‘네이처’에 게재
– 마이크로파를 이론적 한계 수준에서 검출할 수 있는 검출기

물리학과 이길호 교수팀, 미국 Raytheon BBN Technologies, 하버드대학교, 매사추세츠공과대학교, 스페인 바르셀로나 과학기술연구소, 일본 NIMS 물질재료연구기구로 이뤄진 국제 공동 연구팀이 마이크로파를 이론적 한계 수준의 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 센서를 개발했다.

최상위 국제학술지인 ‘네이처(Nature)’에 공개된 이번 연구 결과는 양자컴퓨터 등 차세대 기술의 실용화를 위한 원천 연구로 주목받고 있다.

□ 극소량의 마이크로파 광자를 이론적인 한계 수준으로 검출

마이크로파는 이동 통신, 레이더, 천문학 등 폭넓은 과학 기술 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등 차세대 양자 기술의 실용화를 위해 극히 높은 민감도로 마이크로파를 검출하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 마이크로파는 볼로미터라는 기기를 사용하여 검출하고 있다. 볼로미터는 전자기파 흡수 소재, 전자기파를 열로 바꾸어 주는 소재, 발생한 열을 전기적인 저항으로 변환하는 소재로 구성되어 있다. 전기적인 저항의 변화를 이용하여 흡수된 전자기파의 양을 계산한다. 현재 볼로미터에 사용되고 있는 실리콘이나 갈륨 비소 등의 반도체 기반 다이오드를 사용중이며 검출할 수 있는 마이크로파의 한계는 1 나노와트 (1나노와트는 10억분의 1와트) 수준에 머물러 있다.

□ 소재와 소자 혁신을 통해 이론적 한계 돌파

이길호 교수 연구팀은 소재와 디바이스 구조 측면의 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다.

먼저 전자기파를 흡수하는 소재로 그래핀을 사용했다. 그래핀은 탄소원자 한층으로 이루어진 물질로 한 점으로 모이는 원뿔형 밴드 구조 때문에 매우 작은 전자 열용량을 가진다. 열용량이 작다는 것은 작은 에너지를 흡수하더라도 커다란 온도의 변화가 일어난다는 의미이다. 마이크로파는 매우 작은 에너지를 가진 전자기파이지만, 그래핀에 흡수되면 상당한 온도 상승을 일으킬 수 있다는 아이디어인 것이다. 문제는 그래핀에서 발생하는 온도 상승이 매우 빠른 속도로 식어버려 측정하기 어렵다는 것이다.

이 문제를 해결하기 위해 조셉슨 접합이라 부르는 디바이스를 도입하였다. 조셉슨 접합은 초전도체/그래핀/초전도체 로 구성된 디바이스로 전기적 방법으로 온도 변화를 10피코초(1피코초는 1조분의 1초) 이내로 검출할 수 있다. 따라서 그래핀에서 발생하는 온도 변화와 그것에 따른 전기적인 저항의 변화를 검출할 수 있게 된다.

이길호 교수는 “이번 연구는 차세대 양자 소자를 실제로 구현하기 위한 기반 기술을 구축했다는데 의미가 있다”며 “이번 연구는 단위 시간당 몇 개의 마이크로파 광자가 흡수되는지를 측정하는 볼로미터 기술이나 현재는 마이크로파 광자 하나하나를 구별할 수 있는 단광자 검출기술을 개발 중이다. 이 기술은 양자컴퓨팅 측정효율을 극대화하고 간접자원을 획기적으로 줄여 유용한 대규모 양자컴퓨터를 가능케 할 것으로 기대한다”라고 말했다. 미국 Raytheon BBN Technologies의 Kin Chung Fong 박사는 ” 우주의 기원을 연구하는 전파천문학 분야 및 암흑물질을 연구하는 입자물리학 분야에서도 이번 연구 결과에 뜻밖의 관심을 보이고 있다”며 “기초과학 연구가 다양한 분야 활용될 수 있음을 보여주는 사례이다”라고 밝혔다.