[이후종, 이길호 교수 연구실] 단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현,Short Ballistic Josephson…

(왼쪽) 수평형 그래핀 초전도 접합의 모식도 및 전자현미경 사진, (오른쪽) 전기장으로 조절되는 조셉슨 결합세기

단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현

포스텍 물리학과 이후종 교수팀이 이길호 교수, 박사과정 박진호 씨, 이재형 박사(현 삼성전자 종합기술원), 일본 히로시마 대학 및 국립재료연구소와의 국제 공동 연구를 통해 단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현하는데 성공했다. 이번 연구를 통해 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 한발 다가서게 됐다는 평가를 받고 있다. 이 연구는 미국물리학회의 대표적인 저명 학술지인 피지칼리뷰레터스에 게재됐다.
초전도체는 임계온도라 불리는 일정 온도 이하에서 전기저항 없이 전류가 흐르는 물질을 이른다. 이렇게 전기저항이 없이 흐르는 전류를 초전류라 한다. 흥미롭게도 수백 nm(10억분의 1m) 정도의 길이를 갖는 짧은 도체를 사이에 두고 두 초전도체 전극을 떨어뜨려 놓아도 두 전극 사이에 초전류가 흐르게 할 수 있으며, 이런 구조를 조셉슨접합이라 부른다. 조셉슨접합에서 두 전극 사이의 간격을 짧게 할수록 초전류는 더 커진다. 어느 기준 이상의 큰 초전류를 가지는 접합을 단간극접합이라 하는데, 이는 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트과 같이 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 꼭 필요한 것이다.
최근 전류가 잘 흐르는 단원자층 흑연 물질인 그래핀을 매개로 한 조셉슨접합으로 단간극접합 특성을 실현하려는 많은 시도가 있었으나 성공하지 못했다. 연구팀은 육방정계붕소 박막 사이에 깨끗한 그래핀을 삽입한 수평형 그래핀 접합에서 단간극 조셉슨접합 특성을 실현하는 데 최초로 성공했다. 연구팀은 그동안 단간극접합 특성이 실현되지 못한 것이 그래핀과 초전도 전극이 접합되는 부위에서 전하이동으로 그래핀 특성이 변질되었기 때문임을 밝혔고, 이를 보정해 평면형 그래핀 접합에서 단간극 특성을 확인할 수 있었다.
연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구 성과는 전류 전도 특성이 우수한 그래핀을 이용해 매우 안정된 양자 소자를 고안하는 데 유용하게 활용될 수 있다”고 밝혔다.

We report on short ballistic (SB) Josephson coupling in junctions embedded in a planar heterostructure of graphene. Ballistic Josephson coupling is confirmed by the Fabry-Perot-type interference of the junction critical current Ic. The product of Ic and the normal-state junction resistance RN, normalized by the zero-temperature gap energy Δ0 of the superconducting electrodes, turns out to be exceptionally large close to 2, an indication of strong Josephson coupling in the SB junction limit. However, Ic shows a temperature dependence that is inconsistent with the conventional short-junction-like behavior based on the standard Kulik-Omel’yanchuk prediction. We argue that this feature stems from the effects of inhomogeneous carrier doping in graphene near the superconducting contacts, although the junction is in fact in the short-junction limit.