[이후종, 이길호 교수 연구실]반데르발스 물질 기반의 이종접합에서 강한 조셉슨 결합 구현, Strong Proximity Jo…

[그림: (왼쪽) 그래핀과 나이오븀 다이셀레나이드의 적층구조의 모식도와 단면 TEM사진, (오른쪽) 구현된 적층구조의 전자현미경 사진]

포스텍 연구팀이 그래핀 전도막에 니오비움 다이셀레나이드라는 층상구조를 지닌 초전도물질을 미세 스케일에서 옮겨 붙이는 전사방식을 이용해 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현해 냈다.
이후종, 이길호 포스텍 물리학과 교수와 김민수 맨체스터대학 박사연구원 등 연구팀은 그래핀과 초전도물질을 차례로 옮겨 붙이는 비교적 간편한 방식으로 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초전도접합을 최초로 실현했다. 초전도 물질은 온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 사라져 열이 나지 않으면서 전류가 흐르는 초전류 특성을 보여 전기·전자 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 이런 초전도 물질 사이에 얇은 전도체를 끼워 넣으면 서로 떨어져 있는 초전도 물질 사이에도 전기저항이 없는 초전류가 흐르게 된다.
이러한 접합구조는 전도체에 초전도 물질을 진공에서 증발시켜 쌓는 복잡한 과정을 통해서만 제조가 가능했다. 하지만 이번 연구팀이 복잡한 과정을 거치지 않더라도 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현한 것.
탄소원자로 이뤄진 그래핀은 원자 하나의 두께를 가진 가장 얇은 전도물질인데 이렇게 제작된 초전도접합은 초전도 전극간에 그간 보고된 적이 없는 강한 연계성과 양자간섭 특성을 보여 미래형 첨단 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터나 양자간섭소자 등에 폭넓게 활용될 수 있다.
연구를 주도한 이후종 교수는 “그래핀-초전도 양자소자 개발은 물론 그래핀을 기반으로 한 다양한 전사물질 접합 응용에 실질적인 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

A layered two-dimensional superconducting material 2H-NbSe2 is used to build a van der Waals heterostructure, where a proximity-coupled superconducting order can be induced in the interfacing materials. Vertically stacked NbSe2–graphene–NbSe2 is fabricated using van der Waals interlayer coupling, producing defect-free contacts with a high interfacial transparency. The atomically thin graphene layer allows the formation of a highly coherent proximity Josephson coupling between the two NbSe2 flakes. The temperature dependence of the junction critical current (Ic) reveals short and ballistic Josephson coupling characteristics that agree with theoretical prediction. The strong Josephson coupling is confirmed by a large junction critical current density of 1.6×104 A/cm2, multiple Andreev reflections in the subgap structure of the differential conductance, and a magnetic-field modulation of Ic. This is the first demonstration of strongly proximity-coupled Josephson junctions with extremely clean interfaces in a dry-transfer-stacked van der Waals heterostructure.