ICT/융합

최초로 1차원 원자 사슬 결함 양단의 제로 에너지 구속 상태 발견

발행일 : 2020 / 03 / 16

베이징대학교 물리대학 양자재료과학센터 왕젠(王健) 연구팀은 미국 보스턴칼리지(Boston College, BC) 왕쯔창(汪自強) 연구팀 등과 공동으로 최초로 2차원 철 기반 고온 초전도체의 1차원 원자 사슬(Atomic chain) 결함 양단에서 마요라나 제로에너지 모드(Majorana zero-energy modes)를 발견함으로써 토폴로지 양자컴퓨팅의 최종 달성에 주요한 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Nature Physics”에 온라인으로 게재됐다.

최근년래 클래식 컴퓨터의 연산능력을 능가하는 양자컴퓨터 개발은 세계 프런티어 연구 관심사 및 양자 초월을 달성하는 핵심 방향으로 되었다. 하지만 양자컴퓨팅은 결잃음 효과가 존재하기에 큐비트의 연산은 많은 비트수에 의한 얽힘을 요구한다. 따라서 고장 허용 양자컴퓨팅 즉 환경에 대해 민감하지 않은 토폴로지 양자컴퓨팅 연구는 최종적으로 규모화 양자컴퓨팅을 달성하는 주요 경로이다.

응집상태 물질 중 마요라나 준입자의 제로에너지 구속 상태를 마요라나 제로에너지 모드라 부른다. 해당 모드는 국부적 간섭 및 높은 고장 허용 특성을 구비하고 있기에 토폴로지 큐비트를 달성하는 기반으로 각광 받고 있다. 마요라나 제로에너지 모드를 연구하려면 구조 공법이 복잡한 헤테로구조가 요구될 뿐만 아니라 극저온 및 외부 자기장을 관측해야 하기에 마요라나 제로에너지 모드의 응용에 어려움을 가져다주었다.

연구팀은 분자빔 에피택시 기술을 통해 스트론튬타이타네이트(SrTiO3)기질(Substrate)에 두께가 약 0.59 nm에 달하는 대규모, 고품질의 단일층 FeTe0.5Se0.5고온 초전도 박막을 성공적으로 제조했다. 해당 박막의 초전도 천이 온도는 약 -211℃로 블록재 Fe(Te, Se)의 -258℃에 비하여 훨씬 높다. 원위치 저온 주사터널현미경 및 주사터널 스펙트럼 기술을 이용해 연구팀은 박막 표면에서 최상층 Te/Se 원자 결실로 형성된 1차원 원자 사슬 결함을 발견함과 아울러 결함 양단에서 동시에 제로에너지 구속 상태를 관측했는데 해당 구속 상태는 양호한 항간섭성을 보유하고 있다.

동 연구는 최초로 2차원 고온 초전도체 FeTe0.5Se0.5단일층 박막의 토폴로지 라인 결함 말단부 제로에너지 여기는 단일 재료, 비교적 높은 작동 온도 및 제로 외부 자기장 등 장점을 보유하고 있음을 규명했다. 이는 토폴로지 큐비트의 응용 달성에 가능한 방법을 제공했다.

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