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[IT뉴스]韓 연구진, “양자물질 속 수수께끼 신호 정체 찾았다”

온카뱅크관리자

2026-08-19 11:17:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> - 표준연·GIST, 위상절연체 나노선 속 ‘맥놀이’ 신호 원인 규명 
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 <img alt="KRISS 연구진이 위상절연체 나노선의 양자수송 측정에 사용되는 실험 부품을 확인하고 있다.[KRISS 제공]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/ned/20260819111310062hiec.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="1PiGqN1y10" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/ned/20260819111310062hiec.jpg" width="658">
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 KRISS 연구진이 위상절연체 나노선의 양자수송 측정에 사용되는 실험 부품을 확인하고 있다.[KRISS 제공]
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 [헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 위상절연체 나노선에서 수년간 양자신호 해석을 가로막아온 ‘맥놀이’ 신호의 정체를 세계 최초로 밝혀냈다.
 한국표준과학연구원(KRISS)과 광주과학기술원(GIST) 등 공동연구진은 위상절연체 나노선에서 관측되는 아하로노프-봄 진동(AB)의 맥놀이 현상이 표면의 위상 전자 상태와 표면 아래 형성된 2차원 전자기체(2DEG)의 양자간섭에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈다고 19일 밝혔다.
 위상절연체는 내부에서는 전기가 잘 흐르지 않지만 표면에는 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 특수한 상태가 존재하는 양자물질이다. 이를 나노선 형태로 만들면 표면 전자가 나노선 둘레를 따라 이동한다. 이때 자기장을 가하면 서로 다른 경로를 이동한 전자의 파동이 간섭하면서 전도도가 주기적으로 변하는 AB 진동이 나타난다.
 문제는 실제 위상절연체에서는 도핑 등의 영향으로 표면 바로 아래에 일반 전자가 흐르는 얇은 층이 만들어질 수 있다는 점이다. 이 층 역시 전자가 이동하는 경로가 될 수 있지만, 위상 표면 상태와 함께 AB 양자간섭에 참여하는지는 명확히 밝혀지지 않았다.
 연구진은 안티몬(Sb)이 첨가된 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선의 열전 특성을 분석하던 중 예상하지 못했던 ‘맥놀이’ 신호를 발견했다. 맥놀이는 주기가 조금 다른 두 진동이 겹치면서 신호의 세기가 주기적으로 커졌다 작아지는 현상이다.
 연구진은 이 현상이 기존 전기전도 데이터에서도 나타났다는 사실을 확인하고 신호의 원인을 추적했다. 그 결과 맥놀이는 위상 표면 상태(TSS)와 표면 아래 일반 전자층인 2DEG에서 발생한 서로 다른 주기의 양자진동이 중첩되면서 나타나는 것으로 밝혀졌다.
 두 전자 상태가 나노선을 둘러 이동하는 경로의 면적이 미세하게 다르기 때문에 각각 다른 주기의 AB 진동이 발생하고, 이 두 진동이 겹치면서 맥놀이 신호가 만들어진다는 것이다.
 연구진은 특히 ‘진동수’ 분석을 통해 이를 검증했다. AB 진동의 진동수는 전자가 나노선을 감싸며 이동하는 경로의 면적에 의해 결정된다. 따라서 게이트 전압으로 전자 상태를 변화시키더라도 경로 면적이 유지된다면 각각의 진동수 역시 고유하게 유지돼야 한다.
 하지만 인접한 진동 성분이 겹치면서 기존 주파수 분석만으로는 각각의 신호를 구분하기 어려웠다. 공동연구진인 국립공주대학교 송태근 교수팀은 머신러닝을 활용해 기존 분석에서 하나로 뭉쳐 보이던 진동 성분을 분리했다.
 그 결과 게이트 전압에 따라 맥놀이 무늬가 변화하더라도 각각의 진동수는 고유하게 유지되는 것을 확인했다. 이론 계산에서도 실험에서 관측된 특성이 재현됐으며, 별도의 나노선 소자를 이용한 실험에서도 동일한 현상이 확인됐다.
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 <img alt="이번 연구를 수행한 공동연구진.[KRISS 제공]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/ned/20260819111310301rend.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="KjGxctJ6tT" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/ned/20260819111310301rend.jpg" width="658">
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 이번 연구를 수행한 공동연구진.[KRISS 제공]
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 이번 연구는 향후 위상절연체의 양자수송 신호를 보다 정확하게 해석하고 원하는 양자 상태를 정밀하게 제어하는 데 중요한 기준이 될 것으로 기대된다.
 배명호 KRISS 책임연구원은 “전자가 위상 상태뿐 아니라 일반 전자 상태도 오가며 양자간섭할 수 있음을 보여준 성과”라며 “원하는 위상 상태만 활용하려면 일반 전도 상태가 개입하지 않도록 도핑과 게이트를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다”고 말했다.
 최상준 GIST 교수는 “각 기관 연구진의 실험·이론·데이터 분석 역량이 맞물려 수년간 풀리지 않았던 맥놀이의 원인을 하나의 물리적 그림으로 설명한 성과”라며 “서로 다른 전자 상태의 간섭을 이해하고 제어하는 원리는 향후 위상 양자소자 설계에도 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 표지논문으로 선정됐다.
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