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2010.06.10 초전도체를 이용한 양자컴퓨터 실현 기술 1

2010. 6. 10. 18:18

초전도체를 이용한 양자컴퓨터 실현 기술 재미있는 미래기술2010. 6. 10. 18:18

초전도체를 이용한 양자컴퓨터 실현 기술

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2010-06-10

일본 동북대학교 금속재료연구소, 일본원자력연구개발기구, 미국의 IBM 알마덴 연구소의 연구그룹은 공동으로, 초전도체에 스핀을 주입하여 초전도를 제어하는 데 세계최초로 성공하였으며, 초전도상태에서의 스핀이 통상의 상태에 비해 100만배이상 안정하다는 것을 발견하였다. 1999년 이 연구그룹에서는 전기저항이 제로가 되는 초전도체를 두 개의 강자성체(자석)로 둘러싸고 초전도체와 강자성체 사이에 얇은 절연막을 삽입한 적층 구조의 터널접합 소자에서는 전압을 인가하면 초전도체에 스핀을 주입할 수 있다는 것과 자석의 상대적인 방향을 변화시켜 초전도를 제어할 수 있다는 것, 또한 이에 따라 큰 저항변화를 일으킬 수 있다는 것을 이론적으로 예언한 바 있다. 이번 연구에서는 고품위 이중장벽 터널접합 소자를 개발하고, 이론적으로 예견되어 온 스핀주입에 의한 큰 터널 자기저항 변화 관측에 성공하였다. 이번 연구성과는 초고감도 센서나 양자 컴퓨터 등 양자계산 소자에의 응용이 기대되는 결과이다.

최근 미세가공기술의 진전에 의해 스핀트로닉스 분야가 급속하게 발전하고 있다. 종래 반도체 일렉트로닉스에서는 전자의 전하 부분을 이용하는 데 비해 스핀트로닉스에서는 전하와 스핀 모두를 대상으로 하고 있으며, 그 핵심재료는 강한 자성을 갖는 강자성체이다. 한편, 초전도체는 전기저항이 제로인 특성을 가진 재료이나 자기에는 약하다는 성질을 가지고 있는 것으로 인식되어 왔기 때문에 초전도체에 자기를 주입하는 스핀트로닉스 소자는 아직 개발된 바가 없다. 1999년 이후 위에서 언급한 이론결과를 검증하는 실험이 각국의 연구그룹에서 이루어졌으나, 터널장벽으로 산화 알루미늄(Al2O3)을 사용했기 때문에 장벽 내의 원자의 산란이나 막 두께의 불균일성이 문제가 되었으며 결과적으로 명확한 실험적 검증을 얻지 못한 상황이다.

이번 연구에서는 지금까지의 문제를 해결하기 위해 초전도체로는 Al, 강자성 전극으로는 CoFe, 터널장벽으로는 MgO를 이용하여 고품질 이중터널 접합소자를 개발하였다. 각각의 막 두께는 CoFe 3.5nm, Al 4.5nm, MgO 3~4nm이다. Al은 절대온도 2.3K이하에서 초전도 상태가 된다. 이 소자의 전기적 특성을 나타내는 터널 컨덕턴스와 여기에서 얻을 수 있는 터널자기저항의 변화율(TMR)을 정밀하게 측정한 결과, 저온에서는 이론적으로 예측되어 오던 터널자기저항의 큰 진동 거동이 명확하게 관찰되었다. 이것은 자화가 반평행일 때 주입된 스핀이 장시간에 걸쳐 안정적으로 유지된다는 것을 나타내는 결과이다. 지금까지 초전도와 스핀은 궁합이 맞지 않다는 생각이 많았으나, 초전도 상태에 주입된 스핀도 안정적으로 존재할 수 있다는 것이 밝혀진 결과로서 이전의 생각을 수정하여 스핀트로닉스의 새로운 가능성을 보여주는 결과로 평가된다.

이번에 고품질 이중접합 터널소자의 개발에 의해 초전도 상태에 스핀을 주입하는 데 처음으로 성공하였다. 또한 이 자기상태는 상전도 상태에 비해 100만배 안정하다는 것을 밝혔다. 이 발견은 초전도체 중의 스핀이 양자컴퓨터의 필수요소인 양자비트의 유력한 후보가 될 수 있다는 것을 시사한다. 이 연구는 양자계산 소자에 이용하는 새로운 형태의 양자비트나 양자정보기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이번 성과는 영국의 과학지인 [Nature Materials] 온라인판으로 게재되었다.

(그림1) 이중터널접합소자의 개념도이다 (왼쪽). 좌우의 강자성전극(CoFe)의 자화 방향으로 서로 반평행으로 배치함으로써 스핀을 초전도체에 주입하여 긴 시간 유지할 수 있다. 이번에 제작한 이중터널저합 소자의 구조이다 (오른쪽).
(그림2) 이번에 제작한 이중터널접합에서의 전기저항의 역수(왼쪽)와 터널자기저항의 변화율(오른쪽)의 바이어스전압 의존성을 나타낸다.