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[IT뉴스]양자물질 난제 '맥놀이' 원인 규명…양자소자 정밀설계 기반 제시

온카뱅크관리자

2026-08-19 11:37:25

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 <img alt="위상절연체 나노선의 양자수송 측정에 사용되는 실험 부품. 표준연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112951249mjlo.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="XZLeuoXSJu" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112951249mjlo.jpg" width="658">
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 위상절연체 나노선의 양자수송 측정에 사용되는 실험 부품. 표준연 제공
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 양자물질의 특성을 측정하는 데 걸림돌이었던 '맥놀이' 현상의 원인을 국내 연구팀이 규명했다. 연구성과는 첨단 양자소자를 정밀하게 제어·설계하는 데 기여할 것으로 기대된다.
 한국표준과학연구원은 광주과학기술원(GIST), 충남대, 국립공주대와 함께 위상절연체 나노선에서 수년간 양자신호 해석의 장애물로 여겨진 맥놀이 신호의 발생 원인을 처음으로 규명했다고 19일 밝혔다. 연구결과는 6월 8일(현지시간) 국제학술지 '나노 레터스'에 공개됐다.
 위상절연체는 내부에 전기가 잘 흐르지 않고 표면에 특수한 전자 상태가 존재하는 양자물질을 말한다. 위상절연체를 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준의 가느다란 선으로 만들면 표면의 전자가 둘레를 따라 이동한다. 자기장을 가하면 이동 경로가 다른 전자의 파동이 서로 간섭해 전기 전도도가 규칙적으로 변하는 '아하로노프-봄(AB) 진동'이 나타난다.
 위상절연체는 다른 원소를 첨가하는 도핑 등의 영향으로 표면 바로 아래에도 전자가 이동할 수 있는 얇은 층이 생길 수 있다. 표면 아래의 전자 이동층도 AB 진동에 영향을 주는지는 그동안 불분명했다.
 연구팀은 안티몬(Sb)을 첨가한 비스무트 셀레나이드(Bi2Se3) 나노선에서 AB 진동이 나타나는지 확인하던 중 맥놀이 현상을 발견했다. 맥놀이는 주기가 다른 진동이 겹치면서 신호의 세기가 변하는 현상이다. 예상에 없던 다른 진동 선분의 존재를 포착한 결정적 단서다.
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 <img alt="표준연 연구진이 위상절연체 나노선에서 측정한 양자수송 데이터를 분석하고 있다. 표준연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112952492pkol.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="ZbQfZxlwMU" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112952492pkol.jpg" width="658">
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 표준연 연구진이 위상절연체 나노선에서 측정한 양자수송 데이터를 분석하고 있다. 표준연 제공
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 이후 기존 전기전도 데이터를 다시 분석한 결과 맥놀이 현상이 있었다는 사실이 확인됐다. 수년에 걸친 후속 정밀 분석을 통해 연구팀은 맥놀이가 위상 표면 상태(TSS)와 표면 아래 일반 전자층인 2차원 전자기체(2DEG)의 진동 성분이 겹쳐 나타난다는 사실을 확인했다.
 구체적으로 두 전자 이동경로가 나노선을 감싸는 면적이 미세하게 달라 서로 다른 주기의 진동이 발생해 맥놀이가 발생한 것으로 분석됐다.
 송태근 국립공주대 교수팀은 기계학습 기법으로 기존 분석에서 뭉친 것처럼 보이는 진동 성분을 분리하는 데 기여했다.
 이번 연구는 위상 양자물질의 표면 상태를 확인하는 주요 신호인 AB 진동에 서로 다른 경로의 전자 상태가 관여할 수 있다는 사실을 입증한 성과다. 향후 위상절연체의 표면 신호를 정확히 해석하고 원하는 상태로 정밀 제어하는 기준을 제시했다는 평가다.
 배명호 표준연 책임연구원은 "전자가 위상 상태뿐 아니라 일반 전자 상태도 오가며 양자간섭할 수 있음을 보여준 성과"라며 "원하는 위상 상태만 활용하려면 일반 전도 상태가 개입하지 않도록 도핑과 게이트를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다"고 설명했다.
 최상준 GIST 교수는 "각 기관 연구진의 실험·이론·데이터 분석 역량이 맞물려 수년간 풀리지 않았던 맥놀이의 원인을 하나의 물리적 그림으로 설명한 성과"라며 "서로 다른 전자 상태의 간섭을 이해하고 제어하는 원리는 향후 위상 양자소자 설계에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00906
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 <img alt="위상절연체 나노선 양자간섭 공동연구진. 표준연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112953726kvrf.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="5qWlLYPKnp" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819112953726kvrf.jpg" width="658">
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 위상절연체 나노선 양자간섭 공동연구진. 표준연 제공
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 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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