삼성미래기술육성사업 지원 과제, 세기적 발명 성공

포스텍 물리학과 이길호 교수-조길영 교수 연구팀이 빛으로 고체 물질의 양자 성질을 다양하게 제어하고 측정할 수 있는 플랫폼을 개발하는 데 성공한 것으로 논문제목은 그래핀 조셉슨 접합 내의 안정적인 플로켓-안드레예프 상태‘이다.

고체 물질의 성질은 고체 내에 있는 전자의 움직임에 따라 전자가 자유롭게 움직일 수 있으면 금속, 그렇지 않으면 부도체로 정의되며 중간 정도로 전자가 움직일 수 있으면 반도체로 구분된다.

물질 내의 원자와 전자의 움직임을 변경해 고체의 성질을 바꾸기 위해서는 강한 열 또는 압력을 가하거나 인위적으로 불순물을 첨가하는 등 화학적인 방법을 이용해야 했다.

과학계에서는 아주 작은 크기의 고체 물질의 경우 기존 방식(열, 압력, 화학물질 첨가 등) 외에도 빛을 쬐어주면 양자 성질이 바뀐 '플로켓(Floquet) 상태'가 될 수 있다는 가설이 1900년대 중반부터 제안된 바 있지만 2013년에 처음으로 관찰됐고 이 후 몇 건의 사례가 보고됐다.

플로켓 연구가 지속적으로 성과를 낼 경우 빛을 쪼임으로써 위상물질(Topological Material: 기존 반도체 기반 정보 소자의 한계를 극복할 차세대 양자 물질)을 발현시킬 수 있는 등 신소재, 양자기술 분야에서 활용도가 매우 높기 때문에 전 세계적으로 관련 연구가 활발하다.

플로켓 상태를 구현하기 위해 양자 고체 물질에 가해주는 에너지가 매우 커 강한 열이 발생하기 때문에 그동안 250펨토 초(1펨토 초는 1천조분의 1초) 수준에 불과, 특성을 활용하기 위한 연구도 활발히 진행되지 못했다.

이길호 교수 연구팀은 그래핀-조셉슨 접합 소자에 기존의 적외선 대신 마이크로파를 서서히 쬐어 플로켓 상태를 장시간 구현하는 데 성공했다. 빛의 세기가 기존 대비 1조분의 1 수준으로 매우 약해 열 발생이 현저히 줄었고 플로켓 상태는 25시간 이상 지속되었다.

또한 연구팀은 최적화된 초전도 터널링 분석법을 통해 가해지는 빛의 세기, 파장 등에 따라 달라지는 플로켓 상태의 특징을 정량적으로 확인하는 데 성공했다. 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 5년째 지원을 받고 있다.

한편, 이길호 교수는 삼성미래기술육성사업 지원으로 초고감도 마이크로파 검출기에 관한 연구를 진행했으며, 관련성과는 차세대 양자정보기술 상용화를 위한 원천 연구로 인정받아 2020년 10월 네이처(Nature)지에 게재된 바 있다.

삼성미래기술육성사업은 기초과학, 소재, ICT 분야에서 올해 자유공모 연구과제 720여건을 신청 받아 서면심사와 발표심사를 진행했으며 조만간 지원 과제를 최종 발표할 예정이다.

지원 과제로 선정되면 최대 5년간 많게는 수십 억 원의 연구비를 지원받게 된다. 지난해 지원된 연구비는 자유공모 49건 804.7억 원, 지정테마 12건 152.1억 원 등 956.8억 원에 달했다.

삼성미래기술육성사업은 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업으로 지금까지 706건의 연구과제에 9,237억 원이 지원됐고 연구진은 약 1.4만 명에 달한다.

지금까지 국제학술지에 2,600건의 논문이 게재됐으며 특히 사이언스(9건), 네이처(8건), 셀(1건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 450건에 달한다.