표준연·GIST, 위상절연체 양자진동 신호 원인 규명…세계 최초

(대전=뉴스1) 이동원 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)과 광주과학기술원(GIST) 등 국내 연구진이 위상절연체 나노선에서 복잡한 양자신호인 ‘맥놀이’ 현상의 발생 원인을 세계 최초로 규명했다고 19일 밝혔다.

맥놀이는 주기가 조금 다른 여러 진동이 겹쳐 신호 세기가 주기적으로 변하는 현상으로, 연구팀은 표면의 위상 전자 상태와 그 아래 일반 전자 상태에서 각각 발생하는 양자진동이 중첩되면서 나타난다는 사실을 확인했다. 이번 연구 성과로 위상 양자소자 신호의 정확한 해석과 원하는 전자 상태 구현에 필요한 기준을 마련했다.

위상절연체는 내부 전기가 통하지 않으나 표면에 특수한 전자 상태가 존재하는 양자 물질이다. 나노선 형태로 제작 시, 자기장 하에서 전자의 파동 간섭으로 아하로노프-봄(AB) 진동이 만들어지는데, 표면 아래 전자층인 2차원 전자기체(2DEG) 역시 이 진동에 참여하는지 그동안 논란이 있었다.

연구진은 비스무트 셀레나이드(Bi₂Se₃) 나노선에 안티몬(Sb)을 넣은 시료에서 열전 실험 중 맥놀이를 발견했다. 이 현상을 바탕으로 전기전도 데이터를 재분석하며 동일한 맥놀이 신호를 재확인했다.

수년간의 분석 끝에 맥놀이가 위상 표면 상태(TSS)와 표면 아래 전자층(2DEG)이 만들어내는 서로 다른 진동 성분의 중첩임을 밝혔다. 전자가 나노선을 감싸는 경로 면적 차이로 인해 주기가 미세하게 다른 진동이 생겨 겹치는 것이다.

중요한 검증에는 게이트 전압 변화에 따른 진동 주파수 연구가 포함됐다. 전자의 상태 변화를 주어도 진동수가 일정하게 유지되는 점을 머신러닝 기법으로 구분했고, 이론 계산으로도 재현했다. 별도의 나노선 소자 실험에서도 동일한 현상을 확인했다.

이번 성과는 AB 양자간섭 신호에 일반 전자 상태가 참여함을 명확히 했으며, 이에 따라 위상절연체 양자수송 신호를 정밀하게 해석하고 양자 상태를 제어하기 위한 기초적 기준을 제시했다.

KRISS 배명호 책임연구원은 “위상 상태뿐 아니라 일반 전자 상태까지 양자간섭 가능함을 입증했다”며 “원하는 위상 상태를 활용하기 위해서는 일반 전도 상태 개입을 정밀히 제어해야 한다”고 강조했다.

GIST 최상준 교수는 “수년간 미해결 문제였던 맥놀이 원인을 실험, 이론, 데이터 분석으로 종합해 규명했다”며 “서로 다른 전자 상태의 간섭 원리는 향후 위상 양자소자 설계에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 KRISS 기본사업과 한국연구재단, 교육부 지원을 받아 수행됐으며, 결과는 ‘Nano Letters’ 제26권 29호(2026년 7월)에 표지논문으로 게재됐다.

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