[여성소비자신문 김희정 기자] 연세대학교 최현용 교수 연구팀이 상온에서 레이저를 이용해 스핀과 밸리 두 개의 양자 자유도가 담긴 광전류를 만들고 이를 전기적으로 제어하는데 세계 최초로 성공했다고 연세대가 밝혔다.

양자역학에 의하면 전자는 전하뿐 아니라 스핀, 밸리 자유도 등의 다양한 정보를 담을 수 있다. 기존까지 모든 반도체 소자는 전하 정보만을 활용해 왔으며 소자 집적도가 높아지면서 전자 산업이 발전해왔다.

하지만 소자를 더 작게 만드는 것이 한계에 부딪히면서, 밸리와 스핀 두 가지 자유도를 활용하여 기존의 트랜지스터에서 처리하는 디지털 정보(0, 1) 외 추가적인 연산을 위한 시도가 이루어지고 있다.

최현용 교수 연구팀은 이러한 밸리와 스핀 정보를 동시에 발생시키고, 각각의 자유도를 검출해낼 수 있는 양자정보처리 플랫폼을 전 세계 최초로 구현해내며 주목받고 있다.

새로운 반도체 물질인 2차원 전이금속 디칼코게나이드에 있는 스핀, 밸리 자유도는 서로 강하게 얽혀있다는 사실이 입증되었으나 두 양자 자유도 간의 정보변환에 대해서는 밝혀진 바 없다.

또한 최근까지 보고된 ‘전이금속 디칼코게나이드에서의 전자스핀 제어 연구’에 따르면 자기장 인가가 반드시 필요하여 특수한 외부 환경을 조성해야 하기 때문에 실용적인 소자로 활용하기까지는 어려움이 있었다.

공동 1저자인 차순영‧노민지 박사과정생은 이번 연구에서 이셀레늄화텅스텐(WSe2)과 위상절연체의 위 표면이 단층 그래핀을 매개로 연결된 이종접합 소자를 제작한 뒤 비국부적 광전류 실험을 통해 밸리-스핀 변환을 확인했다.

이셀레늄화텡스텐은 전이금속 디칼코게나이드 물질군에 속하며 차세대 광양자 정보 응용 소재로 각광받고 있는 물질이다. 편광상태를 조절한 빛을 이셀레늄화텅스텐에 비스듬히 넣으면 밸리정보가 담긴 광전류가 생성되고 단층 그래핀을 통해 스핀 확산이 되어 위상절연체 표면에서 위상학적 전류로 변환되는 것을 상온에서 직접적으로 측정한 것이다.

이 연구는 밸리-스핀 변환을 확인하는 데에 그치지 않고, 전압을 조절함에 따라 스핀정보가 담긴 광전류의 크기 또한 바뀐다는 것을 입증하다는 점에서 큰 의의를 지닌다.

최현용 교수는 “빛과 전압을 이용해 밸리-스핀 정보가 쉽게 제어가 가능하여 기존의 양자 정보 처리기술에서 불가능했던 상온 동작 소자를 개발하는 데 성공했다.”며, “추후 펨토초 초고속 실험을 통해 양자 정보 처리 속도를 획기적으로 향상시킬 계획”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성사업을 통해 이뤄졌다.

김희정 기자  penmoim@wsobi.com

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