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원래 전기가 통하지 않는 물질이지만 위상이 다른 두 물질의 경계에서 전도성을 갖는 물질을 위상부도체라고 함. 이런 특성으로 위상부도체는 양자컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대됐지만 고차원 위상부도체는 지금까지 이론적으로 존재할 것이라는 예측만 있었음.

포스텍 물리학과 이길호 교수 연구팀이 미국 레이시언BBN테크놀로지, 독일 막스플랑크연구소, 홍콩과기대와의 공동연구를 통해 고차원 위상부도체의 존재를 관측하는 데 성공함.

위상부도체는 2007년 처음 나온 개념으로 ‘위상학적 꼬임’에 의해 부도체지만 가장자리에서는 전기가 통하는 물질임. 일반적인 위상부도체와 달리 꼬임 현상이 더 많이 발생하는 고차원 위상부도체는 이론적 예측만 많고 실제로 명확하게 관측된 적은 없었음.

연구팀은 초전도체 연구의 핵심 요소인 ‘조셉슨 접합’을 활용했음. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 비 초전도 물질을 끼워 넣어도 전압 없이 두 초전도체 사이에 전류가 흐르도록 만든 것임.

고차원 위상부도체에는 1차원 구조의 경첩 상태가 나타나는 것으로 예측됐는데 이런 경첩 상태는 금속성 몸통 때문에 제대로 관측하기 어려웠음. 연구팀은 조셉슨 접합을 만들어 외부 자기장에 의해 어떻게 전류가 흐르는지를 관측하는 방법을 고안했음. 고차원 위상부도체로 예상되던 텅스텐 디텔루라이드에 초전도 조셉슨 접합을 형성해 관측한 결과 이론적 예측과 부합하는 경첩 상태를 확인했음.

이번 연구는 기존 위상부도체 개념을 고차원으로 일반화시키는 개념임. 이론으로만 존재 여부를 생각할 수 있었던 물질이 실제로도 존재한다는 사실을 확인한 것임.

연구진은 이번 연구는 위상 양자컴퓨터라는 새로운 개념의 양자 컴퓨터 구현에 한걸음 다가갈 수 있는 계기가 될 것으로 보고 있음. 연구진은 “기존 양자컴퓨터는 양자 정보를 잃는 현상으로 발생하는 오류가 치명적인 약점으로 알려져 있다”며 “위상 양자컴퓨터는 이와 달리 양자 정보가 보호받을 수 있어 실용화 가능성이 높은 차세대 양자컴퓨터 개념으로 주목받고 있다”고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ 지에 게재됨