양자 트랜지스터 개발을 가능하게 할 물질 특성 발견

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09

미시간 대학의 물리학자들은 양자 시대의 실리콘을 발견할 수 있는 가능성을 높인 사마륨 헥사보라이드 화합물의 몇 가지 특성을 발견하였다. 이들의 발견은 지난 1960년대 말 이후 밝혀지지 않은 양자 트랜지스터의 미스터리를 해결하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다. 이들 연구진은 사마륨 헥사보라이드, SmB6가 위상 기하학적인 절연체라는 첫 직접적인 증거를 제공하였다. 물리학자들에게 위상학적 절연체는 표면을 따라 금속과 같이 전류를 전도하지만 내부를 통해서는 고무와 같이 전류 흐름을 차단하는 흥미로운 고체 종류이다. 이 물질은 그들의 화학적 성분이 전체를 통해서 동일함에도 불구하고 이런 두 가지 다른 특성을 보인다. 미시간 대학의 과학자들은 전류가 물질을 통하여 어떻게 움직이는지를 밝혀내는 자기장에 대한 물질의 반응에서 분명한 진동을 관측할 수 있는 이른바 토크 자력계(torque magnetometry)라고 불리는 기술을 사용하였다. 그들의 기술은 또한 사마륨 헥사보라이드의 표면이 희귀한 디락 전자들을 보유하고 있다는 것을 보였다. 이 전자들은 양자 컴퓨터의 가장 큰 장애물을 극복하는데 잠재적인 도움을 줄 수 있다고 과학자들이 믿고 있는 입자이다. 이런 특성은 특히 과학자들에게 흥미를 불러일으킨다. 그 이유는 SmB6이 강하게 상관된 물질로 간주되기 때문이다. 그것의 전자들은 다른 대부분의 고체들 보다 더 밀접하게 상호작용한다. 이런 특성은 그것의 내부가 전기적으로 차단된 거동을 유지할 수 있도록 도와준다. 사마륨 헥사보라이드의 더 깊은 이해는 공학자들이 언젠가 전통적인 전자기술에서 실리콘 상의 전류 흐름과 마찬가지로 양자 컴퓨터에서 전류의 흐름을 가능하게 할 것이라고 연구진은 말하였다. 이들의 연구 결과는 "Two-dimensional Fermi surfaces in Kondo Insulator SmB6"이라는 제목으로 사이언스 저널에 발표되었다. 이들의 연구 전에는 어떤 다른 그룹도 강한 상관관계를 가진 물질에서 디락(Dirac) 원자들을 발견하지 못하였다. 이들 연구진은 강한 상관 관계는 양자 컴퓨터 개발에 장애물로 간주되었지만 실제로 그렇지 않다는 것을 밝혀내었다고 말하였다. 이들 연구진은 이런 특성의 결합은 양자 컴퓨터 제작을 가능하게 하며 다른 물질을 찾을 수 있도록 도움을 준다고 말하였다. 연구진이 관측한 사마륨 헥사보라이드의 단점은 극저온에서의 거동이다. 양자 컴퓨터는 처리나 메모리 임무를 위해서 전자 또는 원자와 같은 입자를 사용한다. 그것들은 한 번에 다수의 계산을 수행할 수 있는 능력 때문에 컴퓨팅 파워를 급격하게 향상시킬 수 있다. 양자 컴퓨터는 전통적인 컴퓨터에 비해서 인수 분해를 훨씬 더 빠른 속도로 할 수 있기 때문에, 그것들은 컴퓨터 보안을 크게 향상시킨다. 양자 컴퓨터에서, 큐비트는 전통적인 컴퓨터 이진 코드의 0 및 1에 해당한다. 반면에 전통적인 비트는 0 또는 1이 될 수 있지만, 큐비트는 측정될 때까지 동시에 이것들이 될 수 있다. 양자 시스템을 측정하는 것은 그것이 하나의 상태를 선택하도록 강요하는 것으로서, 그것의 주요 장점을 제거시킨다. 영국의 물리학자인 디락의 이름을 딴 디락 전자들은 고전 물리학과 양자 물리학 영역에 걸쳐있다고 이들 연구진은 설명하였다. 다른 물질과 함께 작동함으로써, 그것들은 결합하여 큐비트가 그것을 알아채지 못하게 간접적으로 측정될 수 있는 방식으로 물질의 특성을 바꾸는 새로운 종류의 큐비트가 된다. 이 큐비트는 두 상태를 모두 보유한다. 이런 응용은 아주 흥미롭지만, 연구자들은 그들이 발견한 기본적인 과학에 가장 고무되었다. 지난 30년 동안 사마륨 헥사보라이드를 연구한 물리학자인 Jim Allen 교수는 과학계의 개념은 어떤 상태가 둘 중의 하나가 되어야만 한다는 것이 보편적인 개념이며 동시에 두 상태가 될 수 있다는 것은 매우 흥미로운 것이라고 말하였다. 그는 사마륨 헥사보라이드는 결함과 불순물 때문에 저온에서 금속과 같이 거동하는 흠을 가진 절연체라고 간주되었지만, 몇 년 전에 그것이 위상 기하학적 절연체가 될 수 있다는 예측은 매우 놀라운 것이었다고 말하였다. 2010년, 미시간 대학 물리학과 교수인 Kai Sun가 이끄는 연구진은 처음으로 SmB6이 위상 기하학적인 절연체일지 모른다는 것을 밝혔다. 2012년 물리학과 교수인Cagliyan Kurdak은 간접적으로 이런 가정이 맞다는 것을 보여주었다. 그러나 과학계는 더 강력한 증거를 원했으며, 그들의 이번 실험이 마침내 그들 이론의 직접적인 증거를 제공하게 된 것이라고 말하였다. 첨부그림: 사마륨 헥사보라이드는 금속 사마륨과 희귀한 준금속 보론으로 만들어진 화합물이다. 미시간 대학 연구진은 그것의 전기적 특성을 분석하여 그것이 어떻게 양자 컴퓨터를 위한 차세대 트랜지스터로 개발될 수 있는지를 보여주었다. id38361.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38361.php