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검출 감도 10억 배 높인 마이크로파 검출기 개발...양자 기술 응용 기대

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검출 감도 10억 배 높인 마이크로파 검출기 개발...양자 기술 응용 기대

2020.10.05 05:47
포스텍 연구팀 '네이처' 발표
이길호 포스텍 물리학과 교수팀이 마이크로파 세기를 기존 대비 약 10억 배 향상된 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 검출기를 개발했다. 왼쪽부터 정우찬 연구원과 이길호 교수다. 삼성전자 제공
이길호 포스텍 물리학과 교수팀이 마이크로파 세기를 기존 대비 약 10억 배 향상된 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 검출기를 개발했다. 왼쪽부터 정우찬 연구원과 이길호 교수다. 삼성전자 제공

마이크로파를 이론상 검출 가능한 가장 작은 한계인 1아토와트(aW. 1aW는 100경 분의 1W)까지 검출할 수 있는 고감도 검출 기술이 개발됐다. 마이크로파를 이용한 양자컴퓨터와 양자정보통신 기술을 개발하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


삼성전자는 이길호 포스텍 물리학과 교수팀이 미국 하버드대, 메사추세츠공대, 레이시온비비엔사 등과 공동으로 기존보다 약 10억 배 민감도가 향상된 1aW급 초고감도 마이크로파 검출기(볼로미터)를 개발했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 지난달 30일 국제학술지 ‘네이처’에 발표됐다.


마이크로파는 전자기파의 일종이다. 파장이 약 1mm~10cm로 무선통신과 레이더, 전자레인지 등에 이용된다. 미래에는 양자암호를 이용한 양자정보통신과 양자컴퓨터 개발 등에도 활용될 것으로 기대되고 있다.


이를 위해서는 미약한 마이크로파도 검출할 수 있는 고감도 볼로미터가 필요하다. 현재 사용되고 있는 볼로미터는 마이크로파 흡수 소재와 흡수한 마이크로파를 열로 바꾸는 소재, 발생한 열을 전기 저항으로 변환하는 소재로 구성돼 있으며 전기 저항 변화를 이용해 흡수된 마이크로파 세기를 계산한다. 흡수소재로 실리콘이나 갈륨비소 등 반도체 소자를 사용하는데 1나노와트(nW, 1nm는 10억 분의 1W) 세기까지만 측정할 수 있어 이보다 작은 세기의 마이크로파는 정밀하게 측정하기 어려웠다.


이 교수팀은 볼로미터의 소재와 구조를 개선했다. 먼저 흡수소재로 그래핀을 사용해 흡수율을 높였다. 여기에 두 초전도체 사이에 그래핀을 끼워 넣은 ‘조셉슨 접합 구조’를 추가해 그래핀에서 발생하는 전기 저항 변화를 10피코초(ps. 1ps는 1000억 분의 1초) 이내에 검출할 수 있게 했다(아래 사진 및 그림). 그 결과 1aW까지 검출할 수 있는 볼로미터를 개발하는 데 성공했다.

 

연구팀이 개발한 볼로미터의 사진(왼쪽)과 구조 모식도다. 네이처 논문 캡쳐
연구팀이 개발한 볼로미터의 사진(왼쪽)과 구조 모식도다. 네이처 논문 캡쳐

이 교수는 “차세대 양자소자를 실제로 구현하기 위한 기반기술을 구축했다”며 “양자계산의 측정 효율을 극대화해 대규모 양자컴퓨터 개발도 가능할 것”이라고 말했다.


이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업으로 선정됐다. 삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 2013년부터 1조5000억 원을 출연해 시행중인 연구지원 공익사업이다. 지금까지 603개 과제에 7729억 원을 지원했다. 

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