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'자석'통합검색 결과 입니다. (3건)

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한·미, 세상에 없는 기술…자석으로 양자컴퓨팅 첫 성공

한-미 연구진이 자석을 이용한 양자컴퓨팅 핵심 기술을 처음 실증했다. KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소 및 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)과 '광자-마그논 하이브리드 칩'을 개발해 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다. 연구팀은 '빛'과 '자석 내부의 진동(마그논)'이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발했다. 이 칩은 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호(위상 정보)를 전송하고, 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간 관측하고 조절이 가능하다. 김갑진 교수는 "자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험"이라며 "자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다. 자석 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자 스핀(spin)에서 나오는데, 여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를 마그논이라고 한다. 마그논은 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성 특성이 나타난다. 이는 양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용된다. 광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 km 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용 가능하다. 또한, 특수한 자석 물질인 반강자성체를 이용하면 양자컴퓨터 작동 주파수를 훨씬 빠른 테라헤르츠(THz) 대역으로 높여 현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어 넘을 수 있다. 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발이 가능하다는 의미다. 그러나, 마그논을 기반으로 한 양자컴퓨팅과 통신 시스템 전반의 구현에 필요한 이 모든 기술을 실현하기 위해서는 마그논 위상 정보, 즉 마그논 파동이 언제부터 시작되고 움직이는지에 대한 정보를 실시간으로 전송 및 측정하고, 그것을 제어하는 기술이 필수적이었다. 김갑진 교수 연구팀이 이 문제를 해결한 것. 연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(YIG) 2개를 12㎜간격으로 배치하고, 그 사이에 구글, IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치해 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정했다. 이 결과, 수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력하였을 때 그로 인해 생기는 자석 내부의 진동(마그논)이 초전도 회로를 통해 멀리 있는 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인했다. 여러 펄스 사이에 간섭을 일으켰을 때 각각의 위상 정보를 유지하며 신호가 예측대로 보강 또는 상쇄되는 것(결맞음 간섭 현상)을 실시간 도메인에서 관측하는 데도 성공했다. "마그논 양자상태서 자유롭게 제어 가능 김갑진 교수는 "여러 펄스(신호)의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절해 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증했다"며 "전기 신호 입력을 통해 마그논 양자 상태(위상 정보)를 자유롭게 제어할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 김 교수는 "이 연구는 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템에서도 구현될 수 있다는 것을 보여줬다"며 "자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준 것"이라고 부연설명했다. 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템은 자성체의 마그논과 초전도 회로를 결합, 서로의 장점을 살린 새로운 양자 연산 시스템이다. 김 교수는 "'세상에 없는 기술을 제안하라'는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에' 자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?라는 다소 엉뚱하지만 모험적인 아이디어를 제안하며 연구가 시작됐다"고 말했다. 연구는 물리학과 송무준 박사후연구원이 제1 저자로 참여했다. 미국 아르곤 국립 연구소 이 리(Yi Li) 박사, 발렌틴 노보사드 박사, 일리노이 주립대학교(UIUC)의 악셀 호프만 교수 연구팀이 참여했다. 연구결과는 국제 학술지 '엔피제이 스핀트로닉스'와 `네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.

2025.05.06 11:05박희범

韓-佛 과학자, 물리학 이론 깼다…세계 최초 'AA구조' 적층 소재 합성 성공

자석은 같은 극끼리 밀어낸다. 같은 소재의 원자 적층에서도 마찬가지 현상이 발생한다. 이 같은 물리학 법칙을 한국과 프랑스 연구진이 깼다. POSTECH(포항공과대학교)은 신소재공학과 김종규 교수 연구팀이 프랑스 몽펠리에대학교와 함께 과학계에서 '불가능'하다고 여겨졌던 새로운 형태의 원자 배열로 신소재를 합성하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 2차원 물질인 '육방정계 질화붕소(h-BN1)'로 여러 층이 정확하게 겹치는 새로운 형태의 'AA 구조'(붕소 위에 붕소, 질소 위에 질소가 쌓이는 형태)를 실현했다. h-BN은 지금까지 붕소와 질소가 '교차 정렬된' 형태의 'AA 프라임 구조'로만 적층이 가능하다는 것이 정설이었다. 같은 극을 가진 자석이 서로 밀어내듯 같은 소재의 원자도 서로 밀어내 열역학적으로 매우 불안정해져 일정한 정렬 상태를 유지할 수 없기 때문이다. 연구팀은 이 연구에서 2인치 크기의 단결정 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 기판으로 사용했다. 또 질화갈륨 표면의 계단 구조를 '성장 가이드'로 활용해 h-BN이 일정한 방향으로 정렬되도록 유도해 'AA 구조'를 구현했다. 기존 연구는 주로 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 금속이나 사파이어 기판을 사용한다. 연구팀은 전자를 소량 도입하는 '도핑' 기술을 통해 불안정하다고 여겨졌던 이 'AA구조'가 오히려 더 안정적이라는 사실도 밝혀냈다. 김종규 교수는 "h-BN뿐만 아니라 2차원 반도체 물질 적층에도 적용 가능하다"며 "향후 양자 기술이나 차세대 초소형 전자기기 연구에 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다. 김 교수는 “대외부총장도 맡아 대학 행정과 연구를 병행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었다"며 "단순한 과학적 발견을 넘어 2차원 소재 산업화의 중요한 전환점을 마련할 것”이라고 말했다. 연구를 함께 수행한 문석호 박사는 "전하 도핑과 기판 계면 설계를 통해 원자층 적층 구조를 제어할 수 있다는 점을 실험과 이론으로 입증한 연구"라며 이번 연구에 의미를 부여했다. 이 연구에는 POSTECH 신소재공학과 김종규 교수와 문석호 박사 외에 최시영 교수와 프랑스 몽펠리에대 기욤 카사부아(Guillaume Cassabois) 교수 연구팀이 참여했다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '네이처 머터리얼즈(Nature Materials)'에 지난 19일 게재됐다. 한편, 이 연구는 교육부 글로벌박사펠로우십사업, 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징 해석연구센터), 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노및 소재기술개발사업, 산업자원부 전자부품산업기술개발사업, 삼성전자 등의 지원을 받았다.

2025.03.20 11:22박희범

KSTAR 초전도자석 16년간 3만4천회 가동 "이상무"…40년 유지가 목표

우리나라 인공태양 KSTAR의 초전도자석 성능 검증 결과 16년 동안 안정화 상태를 지속 유지하고 있는 것으로 나타났다. 핵융합 연구계에서는 이 결과가 향후 40년 이상 가동 계획으로 돼 있는 핵융합로의 핵심부품 사용연수를 일부 확인한 것으로 보고 있다. 한국핵융합에너지연구원(핵융합연, 원장 오영국)은 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위해 초전도자석 성능 검증 시험을 수행한 결과, 최대 성능이 유지되는 것을 확인했다고 24일 밝혔다. 초전도자석은 핵융합 반응이 일어나는 핵융합로에서 초고온 플라즈마를 가두고 제어할 자기장을 생성하는 핵심 부품이다. KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(Nb3Sn, 나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용했다. 이현정 토카막운전기술본부 초전도시스템연구그룹장은 "초전도라고 해서 상온에서 열이 전혀 없는 것은 아니다"며 "가동시 열량이 100에서 현재 50상태를 유지하는 것으로 이해하면 된다"고 말했다. 이 그룹장은 "현재 지속적으로 열량이 줄며 안정화 상태를 보이고 있다"며 "지금까지 16년 간 아무 문제없이 초전도 자석을 지속 사용한 전례도 없다"고 설명했다. KSTAR의 초전도자석은 지난 2008년 운전을 시작한 후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출되어 왔다. 연구진은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위하여 매년 약 15kA 전류에서 교류 손실(AC loss)을 측정한다. 올해는 특별히 초전도자석의 성능을 직접 평가하고자 펄스 방식(pulse mode)으로 운전하는 중심 솔레노이드 자석(Central Solenoid)에 15kA부터 정격 전류인 25kA까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했다. 펄스방식 운전은 장치를 일정 시간 동안 가동한 후 멈췄다 다시 가동하는 주기적인 운전 방법이다. 이때 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우, 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단한다. 이 실험 결과, 25kA 전류 인가 시에도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 기록했다고 연구진은 설명했다. 초전도 선재 240다발. 구리선재 120다발 반복 시험 핵융합연은 KSTAR의 초전도자석을 16년간 약 3만 4천 회 이상 펄스방식으로 반복 운전해 왔다. 이 초전도자석은 0.8㎜짜리 초전도 선재 240다발, 구리선재 120다발로 이루어져 있다., 각각의 선재는 2㎛ 두께로 크롬 코팅돼 있다. 이현정 그룹장은 “KSTAR는 전 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 초전도자석을 제작한 핵융합 장치”라며, “KSTAR 운전 과정에서 확보하는 초전도자석 데이터는 향후 ITER 초전도자석 운전 및 핵융합 실증로 초전도자석 제작을 위한 중요 자산이 될 것”이라고 말했다. 이번 실험 결과는 오는 28일까지 서울 올림픽 파크텔에서 열리는 국제 핵융합 및 플라즈마 컨퍼런스(iFPC 2024)에서 공개한다.

2024.06.24 11:57박희범

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