▲ (좌측 상단부터) 나노 구조의 비스무스 셀레나이드 전자현미경 사진과 단면 전자현미경사진, 비스무스 층이 삽입된 비스무스 셀레나이드의 고배율 전자현미경 사진 및 원자 분포 이미지, 비스무스 층이 삽입된 비스무스 셀레나이드의 XRD 실험결과 및 이론적 계산 결과와 비스무스 핵자기공명 실험결과.

국내 연구진이 별도의 에너지 없이 양자컴퓨터 기억소자의 핵심 특성을 손쉽게 제어가 할 원인규명에 성공했다. 향후 양자컴퓨터 실용화에 밑거름이 될 것으로 보인다.

한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연)은 지난14일 김해진 전자현미경연구부 박사가 주도하고 그리스 국립과학원 ‘데모크리토스 연구소’, ‘요아니나 대학교’ 및 아랍에미레이트(UAE)의 ‘석유대학’ 국제 공동 연구팀이 양자컴퓨터의 소재인 ‘위상절연체’의 특성을 제어하는 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

양자컴퓨터는 반도체가 아닌 전자가 가지는 스핀을 기억소자로 활용하는데 위상절연체는 내부는 절연체이나 표면에는 전기가 흐르는 특징으로 저항에 의한 에너지 손실이 없이 전기 전도가 가능해 양자컴퓨터 구현을 위한 전자의 스핀현상을 구현하기가 쉽다.

그동안 위상절연체에서 전자 움직임을 제어하기 위해서는 고온, 화학물질등이 사용됐지만 연구팀은 비스무스셀레나이드(Bi2Se3)에 비스무스 층을 삽입해 별도의 에너지 없이 전자의 스핀상태를 제어하고 전도도를 제어할 수 있게 됐다.

연구진은 “양자상태로 저장된 정보가 외부로 빠져 나가지 않고, 큐비트 안에 계속 유지하도록 해주기 때문에, 큐비트의 안정성을 중시하는 양자컴퓨터 실용화에 한 걸음 가까워지는 학문적 해결책을 제시한 것으로 평가 받는다”고 밝혔다.

김해진 기초지원硏 박사는 “이번 연구는 위상절연체의 전자스핀 상태를 물질의 삽입이라는 물리적 작용을 통해 에너지를 거의 사용하지 않으면서도 손쉽게 제어할 수 있다는 새로운 발견이 핵심”이라고 이야기했다.

이어 “향후 다양한 나노구조 물질과 위상절연체의 물리화학적 특성 연구를 통하여, 스핀트로닉스 소자 개발 및 양자컴퓨터 실용화 등 다양한 응용방법을 제시해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 세계적인 과학잡지 네이처에서 발행하는 상위 5% 재료과학 전문 학술지인 ‘NPG Asia Materials 誌’온라인판(논문명: Unexpected orbital magnetism in Bi-rich Bi2Se3 nanoplatelets, IF=10.118)에 지난 5월 말 게재되었다.