초전도 나노구조를 3D로 구현

새로운 연구는 나노 3D 프린터와 유사한 3차원 초전도 나노구조를 제작하여 초전도 상태를 국부적으로 제어할 수 있음을 보여줍니다. 초전도 나노구조는 자기장 내에서 회전시켜 켜고 끌 수 있습니다.

2차원에서 3차원으로의 이동은 시스템의 동작 방식에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 종이를 접어 종이 비행기로 만들거나 철사를 꼬아 나선형 스프링으로 만드는 것처럼 말입니다. 사람 머리카락보다 1,000배 작은 나노 스케일에서는 양자 물질과 같은 기본적인 길이 스케일에 접근합니다.

이러한 길이 스케일에서 나노기하학적 패턴은 재료 특성 자체의 변화로 이어질 수 있습니다. 3차원으로 이동하면 대칭성을 깨고, 곡률을 도입하고, 상호 연결된 채널을 생성하여 기능을 맞춤화하는 새로운 방법이 등장합니다.

이러한 흥미로운 전망에도 불구하고, 주요 과제 중 하나는 여전히 남아 있습니다. 바로 양자 물질에서 나노스케일로 이처럼 복잡한 3차원 기하 구조를 어떻게 구현할 것인가 하는 것입니다. 막스 플랑크 고체 화학물리 연구소 연구진이 이끄는 국제 연구팀은 새로운 연구에서 나노 3D 프린터와 유사한 기술을 사용하여 3차원 초전도 나노구조를 개발했습니다.

연구팀은 3차원 브리지 형태의 초전도체에서 초전도 상태를 국부적으로 제어하는 ​​데 성공했으며, 초전도 상태의 나노스케일 결함인 초전도 소용돌이의 움직임을 3차원으로 구현하는 데에도 성공했습니다. 이 연구는 Advanced Functional Materials 저널에 게재되었습니다.

초전도체는 전기 저항이 0이 되고 자기장을 방출하는 능력으로 유명한 물질입니다. 이러한 놀라운 특성은 쿠퍼 쌍(Cooper pair)이라고 불리는 전자쌍의 형성으로 인해 발생합니다. 쿠퍼 쌍은 물질 내에서 산란 없이 일관되게 움직이는 전자쌍입니다.

MPI-CPfS의 박사후 연구원이자 이 연구의 제1 저자인 엘리나 자키나는 "가장 중요한 과제 중 하나는 나노스케일에서 이 초전도 상태를 제어하는 ​​것인데, 이는 새로운 효과의 탐구와 미래 기술 장치 개발에 중요합니다."라고 설명했습니다.

독일(MPI CPfS, ​​IFW)과 오스트리아(TU Wien, University of Vienna) 연구진이 참여한 국제 연구팀은 3D 나노기하구조로 초전도체를 패터닝할 때, 나노구조의 여러 부분에서 초전도성을 "끄는" 방식으로 초전도 상태를 국부적으로 제어할 수 있었습니다.

이러한 초전도 상태와 "정상" 상태의 공존은 초고감도 센싱 등에 사용되는 소위 약한 연결(weak link)과 같은 양자역학적 효과를 초래할 수 있습니다. 그러나 지금까지 이러한 제어는 일반적으로 평면 박막과 같이 상태의 공존이 미리 결정된 구조를 설계하는 것을 요구해 왔습니다.

MPI-CPfS의 리제 마이트너 그룹 리더이자 이 연구의 마지막 저자인 클레어 도넬리는 "3차원 나노구조의 여러 부분에서 초전도 상태를 켜고 끌 수 있다는 것을 발견했습니다. 단순히 자기장 내에서 구조를 회전시키는 것만으로 가능합니다."라고 말했습니다. "이렇게 하여 '재구성 가능한' 초전도 장치를 구현할 수 있었습니다!"

이러한 재구성 가능한 기능의 구현은 적응형 또는 다목적 초전도 소자를 구축하는 새로운 플랫폼을 제공합니다. 초전도 상태의 결함을 전파하는 능력과 더불어, 이는 복잡한 초전도 로직 및 뉴로모픽 아키텍처의 가능성을 열어 차세대 재구성 가능 초전도 기술의 토대를 마련합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250509122004.htm