차세대 양자소자 기술 핵심원리, 세계 최초로 규명
차세대 양자소자 기술 핵심원리, 세계 최초로 규명
최석호 응용물리학과 고황명예교수, 김성 후마니타스칼리지 교수 연구팀이 세계 최초로 차세대 양자소자 기술의 핵심원리를 규명했다.
응용물리학과 최석호 고황명예교수, 후마니타스칼리지 김성 교수 연구팀
2차원 바일 준금속 원형감광기전효과 실험으로 입증
‘위상(Topology)’은 물체가 가진 형태의 본질적 특성을 나타내는 개념이다. 예를 들어 달걀과 축구공은 생김새는 다르지만, 구멍이 없는 둥근 형태라는 점에서 같은 위상을 가진 3차원 물체로 볼 수 있다. 하지만 이와 달리 도넛은 중앙에 구멍이 하나 있어 달걀, 축구공과는 다른 위상을 가진 물체다. 위상의 개념이 물질의 전자 구조에 적용될 수 있다는 사실은 ‘위상물질(Topological Materials)’이라는 새로운 개념을 불러일으켰다. 위상물질 중 ‘디락 준금속(Dirac semimetal)’과 ‘바일 준금속(Weyl semimetal)’이 유명하다.
세계 최초로 이론적 예측에 머물던 개념을 실험으로 구현해
바일 준금속은 전자가 마치 질량이 거의 없는 것처럼 빠르게 이동하며, 자기장의 세기와 방향에 극도로 민감하게 반응하는 새로운 종류의 금속이다. 이러한 특성 덕분에 정밀 자기장 센서, 고속 전자소자, 나노소자 등 다양한 분야에서 그래핀을 이은 차세대 신소재로 주목받고 있다. 특히 양자소자의 핵심 원리를 구현하는 물질로 기대를 모으며 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
바일 준금속의 대표적인 양자 특성 중 하나로 빛의 회전 방향에 따라 전류가 흐르는 ‘원형 감광 기전 효과(Circular Photogalvanic Effect, CPGE)’가 있다. 지금까지 이 효과는 3차원 바일 준금속에서만 확인됐다. 이런 상황에서 최석호 응용물리학과 고황명예교수, 김성 후마니타스칼리지 교수 연구팀이 세계 최초로 2차원 바일 준금속에서도 원형 감광 기전 효과가 발생함을 실험적으로 규명했다. 이론적 예측에 머물던 개념을 실제 평면 소자에서 구현한 첫 사례다.
최석호 교수 연구팀은 10나노미터 이하의 얇은 위상 준금속 박막을 정밀하게 제작해 2차원 바일 준금속을 구현하고, 회전하는 빛을 비췄을 때 전류가 어떤 방향으로 흐르는지 관찰했다. 그 결과, 회전하는 빛을 비췄을 때 빛의 방향에 따라 전류가 달라지는 원형 감광 기전 효과가 실제로 나타남을 확인했고, 더 나아가 효과가 발생하는 전자 구조와 물리적 메커니즘까지 함께 규명했다. 최석호 교수는 “위상 전이 제어, 새로운 위상 상태 구현, 양자광전 효과 실증이라는 완결된 연구 흐름을 통해 차세대 양자소자 구현에 필수적 물리 기반을 확립했다”고 밝혔다.
그림 설명. 위상물질의 응용 분야. 이번 연구 결과는 열전 발전, 유체 역학, 촉매, 태양광 발전, 양자컴퓨터 관련 소자개발에 활용될 전망이다.
부피가 크고 두꺼운 3차원 구조는 소형화나 집적화에 한계가 있지만, 2차원 바일 준금속은 단층 또는 수 나노미터 수준의 두께만으로도 복잡한 양자효과를 구현할 수 있어 전자·광학 소자의 플랫폼으로 훨씬 유리한 조건을 갖추고 있다. 이번 연구가 2차원 준금속에 대한 기술적 공백을 메우는 중요한 전환점으로 평가받는 이유다.
빛의 회전 방향에 반응하는 전류 제어 기술을 활용해 차세대 양자정보처리 소자, 스핀 기반 광전 소자 등 최근 주목받는 양자소자 기술의 핵심 원리 구현이 기대된다. 연구팀은 이번 성과를 토대로 나노 크기의 고성능 광전소자, 에너지 변환 소자, 양자정보 처리장치 등 차세대 소자 개발을 진행할 계획이다.
최석호 교수는 “그래핀 이후 차세대 신소재로 주목받고 있는 위상 물질 분야에서 순수 이론을 넘어 실용화 단계로 나아가는 전기를 열었다”며 “미래 핵심 기술의 실현을 앞당길 중요한 돌파구가 될 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐으며 최석호, 김성 교수, 장찬욱 박사, 정태진 박사과정생을 비롯해 울산대, 호주국립대학, 호주 울릉공대학이 진행했다. 연구 성과는 국제 학술지 『Materials Today Physics(IF=10)』 최신 호에 게재됐다.
글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr
ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr
2025.05.14