경희대, 차세대 양자소자 핵심 원리... 세계 최초 실험 규명

경희대 최석호 교수 연구팀, 2차원 바일 준금속서 원형 감광 기전 효과 첫 입증

차세대 양자소자 기술의 핵심으로 주목받는 원리가 국내 연구진에 의해 세계 최초로 실험적으로 규명됐다.

경희대학교 응용물리학과 최석호 고황명예교수 연구팀은 전자들이 빛의 회전에 따라 전류를 생성하는 '원형 감광 기전 효과(CPGE)'가 2차원 바일 준금속에서도 발생함을 실험적으로 입증했다고 21일 밝혔다. 

지금까지 이 효과는 3차원 구조에서만 관측된 바 있어,이번 결과는 차세대 소형 양자소자 구현에 중요한 전기를 마련한 것으로 평가된다.

경희대학교 응용물리학과 최석호 고황명예교수(이미지=경희대학교)

바일 준금속은 전자가 질량이 거의 없는 상태처럼 빠르게 이동하고, 자기장에 극도로 민감하게 반응하는 성질을 가진 새로운 금속 계열 물질이다. 이러한 특성 덕분에 정밀 자기장 센서, 고속 전자소자, 나노소자 등 다양한 분야에서 그래핀에 이어 차세대 신소재로 주목받고 있다. 특히, 양자소자의 핵심 원리를 구현할 수 있는 물질로서의 가능성이 크게 기대되고 있다.

최 교수 연구팀은 10나노미터 이하의 얇은 위상 준금속 박막을 제작해 2차원 바일 준금속을 구현하고, 회전하는 빛을 비추며 전류의 방향을 정밀하게 측정했다. 그 결과, 빛의 회전 방향에 따라 전류가 달라지는 원형 감광 기전 효과가 실제로 발생했으며, 이 현상이 나타나는 전자 구조와 물리적 메커니즘도 함께 규명했다.

최석호 교수는 "이번 성과는 이론적으로만 예측되던 개념을 실제 2차원 소자에서 구현한 세계 첫 사례로, 위상 물질 연구의 실용화를 앞당기는 전환점"이라며 "양자정보처리, 스핀 기반 광전소자, 고성능 에너지 변환 장치 등 미래 기술 실현에 중요한 돌파구가 될 것"이라고 연구 의의를 강조했다.

특히 기존 3차원 구조는 부피가 커 소형화와 집적화에 한계가 있었던 반면, 2차원 바일 준금속은 얇고 유연한 구조 덕분에 소형 소자 개발에 훨씬 적합하다. 이번 연구는 양자컴퓨팅 등 차세대 양자기술 구현을 위한 원천 기술로 주목된다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 경희대 최석호 교수와 김성 교수, 장찬욱 박사, 정태진 박사과정생, 울산대, 호주국립대학, 울릉공대학 연구진이 함께 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 '메터리얼 투데이 피직스(Materials Today Physics, IF=10)' 최신 호에 게재됐다.