원자층 초전도체에 형성되는 조지프슨 접합 발견

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-19

일본의 독립행정법인 물질·재료 연구기구(NIMS) 국제 나노 아키텍트닉스 연구 거점의 연구 그룹과 국립대학법인 도쿄 대학 물성 연구소의 연구팀은 실리콘 표면 위에 형성한 원자 수준 두께의 초전도체에 대해 원자 1개 높이의 단차(원자 단계)가 초전도 전류의 흐름을 제어하는 조지프슨 접합(Josephson junction)으로 작동한다는 것을 발견했다. 최근 발견된 실리콘 표면상의 원자층 초전도체는 궁극의 미소 사이즈인 원자 크기 두께의 초전도 나노 디바이스를 실현시킬 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 하지만, 디바이스 제작을 위해서는 초전도 연산 소자에서 필수 요소인 조지프슨 접합을 제작할 필요가 있으며, 그 방법은 해결되지 못한 채로 남아 있었다. 이번에 연구팀은 주사 터널 현미경을 이용한 실험과 미시적인 이론 계산을 통해 원자층 초전도체의 원자 단계에 초전도 양자 소용돌이의 일종인 조지프슨 양자 소용돌이라는 특수한 초전도 상태가 발생하는 것을 발견했다. 이에 따라 원자 단계가 조지프슨 접합으로 작동하는 것을 밝혀냈다. 이 성과는 원자층 초전도체를 이용하면 기존의 초전도 소자에서는 각각 제작했던 조지프슨 접합을 자기 조직적으로 빠르고 대량으로 제작할 수 있다는 것도 의미하고 있다. 향후, 이 성과를 이용해 원자 수준의 두께밖에는 되지 않는 조지프슨 소자를 제작해 초전도 디바이스로의 응용을 목표로 하고 있다. 또한, 전력 응용이 기대되는 고온 초전도체에서는 조지프슨 양자 소용돌이가 중요한 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 이번 성과는 고온 초전도체의 초전도 특성의 해명에도 기여할 것으로 기대된다. 이 연구는 독립행정법인 일본 원자력 연구 개발 기구와 공동 연구로 문부 과학성 세계 최상급 연구 거점 프로그램 및 과학 연구비 지원 사업의 일환으로서 진행되었다. 이 연구 성과는 미국 물리 학회 Physical Review Letters지에 Editors Suggestion(주목 논문)으로 곧 게재될 예정이다. [그림설명] 주사 터널 현미경으로 관찰한 원자층 초전도체의 3차원 표시. 그림의 높이 시료의 높이 정보, 밝기는 시료의 국소 전자 상태 밀도에 해당한다. 단차가 있는 원자 계단의 부근에서 밝아지고 있는 영역에 초전도 양자 소용돌이가 존재하고 있다. A, B, C의 차이는 조지프슨 접합 강도의 변화에​​ 기인 한 계단 부근에서의 인듐 원자층의 틈새 폭의 차이에 의해 발생한다. 특히 C는 조지프슨 양자 소용돌이로 분류된다. 화살표는 초전도 전류의 흐름을 모식적으로 나타내고, 조지프슨 결합이 약해지면서 소용돌이가 계단 방향으로 신장하는 것을 나타낸다. 2014121100_press_release_full.png http://www.nims.go.jp/news/press/2014/12/201412110.html