나노기술 및 정책 정보

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● 일본 이화학연구소의 사토 요스케 박사 연구팀이 반도체 나노 세선 위에 제작된 조셉슨 접합(Josephson junction)에 자기장을 가함으로써 초전도 전류가 증폭되는 효과를 연구한 결과 토폴로지컬 상이 관여하고 있지 않다는 것을 규명

● 연구팀은 인듐비소(InAs) 반도체 나노 세선에 두 개의 초전도체 알루미늄 박막을 접합한 조셉슨 접합 디바이스를 제작하여 접합 사이를 흐르는 초전도 전류를 측정한 결과 약한 면직자기장 하에서 초전도 전류가 증폭되는 것을 확인하였으며, 자기장의 방향 및 접합의 전자 밀도를 변경하여 실험함으로써 본 증폭이 일어나는 매커니즘을 규명

● 연구팀은 조셉슨 접합 디바이스를 제작하기 위해 실리콘 기판 위에 고이동도 인듐비소(InAs) 반도체 나노 세선을 산포시키고, 나노 세선의 양쪽 끝에 초전도체인 알루미늄 전극(박막)을 부착하였으며 산화알루미늄 박막을 퇴적시켜 그 위에 나노 세선의 전자 밀도를 제어하기 위한 게이트 전극을 부착

● 극저온에서 초전도 전류의 자기장 의존성을 측정한 결과, 알루미늄 전극 박막의 면직방향으로 10mT의 자기장을 가했을 때 스위칭 전류가 증폭되는 것이 확인되었으며 본 증폭이 게이트 전압, 즉 접합의 전자 밀도에 의존하지 않고 면내 방향의 자기장에도 의존하지 않는 것을 확인

● 또한, 자기장의 스위프 방향(자기장을 변화시키는 방향)에 의해 본 증폭보다 약한 자기장에서 히스테리시스(hysteresis)가 나타나는 것(스위칭 전류값이 스위프 방향에 의존)을 확인

● 본 결과는 측정온도를 바꾸어도 동일하였으며, 스위칭 전류 증폭이 있는 10mT 보다 약한 자기장에서만 확인되었는데, 이상의 결과로부터 초전도 박막에 침입한 자속이 중요한 작용을 하는 것이 밝혀짐.

● 해당 연구성과는 기존의 토폴로지컬 상이 관여한다는 연구를 뒤집는 동시에 초전도 접합을 이용한 새로운 디바이스 설계에 공헌하는 것으로, 향후 마요라나(Majorana) 입자 탐색의 효율화 및 초전도 양자 비트의 성능도 향상될 것으로 기대

※ Physical Review Letter 게재(2022.05.19), “Quasiparticle Trapping at Vortices Producing Josephson Supercurrent Enhancement”