KRISS, 양자 비팅 원인 세계 첫 규명…"신호해석 진일보"

서로 다른 두 전자 진동이 겹쳐서 신호가 주기적으로 강해졌다 약해지는 비팅(Beating, 맥놀이) 현상을 국내 연구진이 과학적으로 규명했다. 양자 소자 설계가 더 정교해질 전망이다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 위상절연체 나노선에서 수년간 양자신호 해석의 걸림돌이었던 '비팅' 발생 원인을 세계 최초로 규명했다고 19일 밝혔다. 연구는 배명호 KRISS 양자소자그룹 책임연구원과 광주과학기술원(GIST) 최상준 교수 연구팀이 주도하고, 충남대학교와 국립공주대학교 연구팀이 참여했다. 배명호 책임연구원은 전화통화에서 "표면의 위상 전자 상태와 그 아래 일반 전자 상태가 만든, 서로 다른 양자적 진동이 겹치면서 맥놀이가 발생한 것으로 확인됐다"며 "위상 양자소자의 신호 해석과 원하는 전자 상태 구현에 필요한 기준을 제시한 것"이라고 평가했다. 위상절연체는 물질 내부에서는 전기가 잘 흐르지 않지만 표면에는 전자가 이동할 수 있는, 특수한 상태가 존재하는 양자물질을 말한다. 이번 연구에서는 안티몬(Sb)을 첨가한 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선을 사용했다. 배 책임은 "이를 가느다란 나노선으로 만들면 표면 전자가 둘레를 따라 이동하고, 자기장을 가했을 때 서로 다른 경로를 지난 전자의 파동이 간섭해 전도도가 규칙적으로 변하는 '아하로노프-봄(AB) 진동'이 나타난다"며 "그런데 실제 위상절연체에서는 도핑 등의 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"고 설명했다. 이를 풀 단서는 열전 실험에서 나왔다. 연구팀은 안티몬(Sb)을 첨가한 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선에서 AB 진동이 열전 현상에서도 나타나는지 확인하던 중 '비팅'을 발견했다. '비팅'은 주기가 조금 다른 진동들이 겹쳐 두 소리굽쇠가 '웅-웅-' 소리를 내듯 신호 세기가 변하는 현상이다. 예상하지 못한 다른 진동 성분의 존재를 포착한 결정적 단서를 찾은 것. 연구팀은 이를 바탕으로 기존 전기전도 데이터를 다시 분석한 결과, 동일한 비팅 현상이 존재하고 있었음을 재확인했다. 배 책임은 "수년에 걸친 추적과 분석 끝에 비팅이 '위상 표면 상태(TSS)'와 표면 아래 일반 전자층인 '2차원 전자기체(2DEG)'에서 비롯된 진동 성분들이 겹치며 나타난다는 결론을 내렸다"며 "두 전도 상태를 지나는 전자 경로가 나노선을 감싸는 면적이 미세하게 달라 서로 다른 주기의 진동이 생기고, 이들이 중첩돼 비팅을 일으킨다는 사실을 밝혔다"고 설명했다. 송태근 국립공주대학교 교수 연구팀은 머신러닝을 이용해 기존 분석에서 뭉쳐 보이던 진동 성분을 분리하고, 게이트 전압에 따라 맥놀이 무늬가 변해도 각 진동수는 고유하게 유지됨을 확인했다. 이론 계산도 관측된 특성을 재현했다. 별도 나노선 소자에서도 같은 현상이 검증됐다. 최상준 GIST 교수는 “각 기관 연구진의 실험·이론·데이터 분석 역량이 맞물려 수년간 풀리지 않았던 비팅 원인을 하나의 물리적 그림으로 설명한 성과”라며, “서로 다른 전자 상태의 간섭을 이해하고 제어하는 원리는 향후 위상 양자소자 설계에도 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다. 연구 성과는 나노과학분야 국제학술지 '나노 레터스' 제26권 29호 표지논문으로 게재됐다.