과학자들은 단일 분자를 발견할 수 있을 만큼 정밀한 진동을 만들었습니다.

과학자들은 단일 분자를 감지할 수 있는 기록적인 양자 진동을 밝혀내 차세대 센서 및 장치의 길을 열었습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

연못에 겹겹이 쌓인 잔물결이 서로를 증폭시키거나 상쇄할 수 있는 것처럼, 빛, 소리, 원자 진동을 포함한 다양한 종류의 파동은 서로 간섭할 수 있습니다. 양자 수준에서 이러한 간섭은 고정밀 센서에 동력을 제공하며 양자 컴퓨팅에도 활용될 수 있습니다.

사이언스 어드밴시스(Science Advances) 에 발표된 새로운 연구에서 라이스 대학교 연구진과 공동 연구진은 포논(물질 구조의 진동으로, 열이나 소리의 가장 작은 단위, 즉 양자를 구성함) 간의 강력한 간섭 현상을 입증했습니다. 서로 다른 주파수 분포를 가진 두 포논이 서로 간섭하는 현상인 파노 공명은 이전에 보고된 어떤 현상보다 두 자릿수(zero)가 더 큰 규모로 나타났습니다.

"전자나 광자 같은 입자에서는 이 현상이 잘 연구되었지만, 포논 간의 간섭은 훨씬 덜 연구되었습니다."라고 라이스 대학교의 전 박사후 연구원이자 이 연구의 제1저자인 쿠얀 장(Kunyan Zhang)은 말했습니다. "포논은 오랫동안 파동의 특성을 유지할 수 있기 때문에 안정적이고 고성능의 소자 개발에 유망하기 때문에 이는 놓친 기회입니다."

이 연구는 포논이 빛이나 전자만큼 효과적으로 활용될 수 있음을 보여줌으로써 차세대 포논 기반 기술의 길을 열었습니다. 연구진의 획기적인 성과는 탄화규소 기반 위에 2차원 금속을 사용한 데 달려 있습니다. 연구진은 가둠 헤테로에피택시(confinement heteroepitaxy)라는 기술을 사용하여 그래핀 층과 탄화규소 층 사이에 단 몇 겹의 은 원자 층을 삽입함으로써 놀라운 양자 특성을 가진 단단히 결합된 계면을 형성했습니다.

장은 "2D 금속은 실리콘 카바이드 내의 서로 다른 진동 모드 사이의 간섭을 유발하고 강화하여 기록적인 수준에 도달했습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 물질의 진동 모드를 측정하는 기술인 라만 분광법을 이용하여 포논의 신호 형태를 관찰함으로써 포논들이 서로 간섭하는 방식을 연구했습니다. 스펙트럼은 매우 비대칭적인 선 모양을 보였고, 경우에 따라서는 완전히 움푹 들어간 형태를 보이며, 강한 간섭의 특징인 반공진 패턴을 형성했습니다.

이 효과는 탄화규소 표면의 특이성에 매우 민감하게 반응하는 것으로 나타났습니다. 탄화규소의 세 가지 다른 표면 종단면을 비교한 결과, 각 표면과 고유한 라만 선 모양 사이에 명확한 연관성이 나타났습니다. 더욱이, 연구진이 표면에 단일 염료 분자를 도입했을 때 스펙트럼 선 모양이 극적으로 변했습니다.

"이 간섭은 매우 민감해서 단일 분자의 존재조차 감지할 수 있습니다."라고 장 박사는 말했다. "간단하고 확장 가능한 설정으로 표지 없는 단일 분자 검출이 가능합니다. 이번 연구 결과는 양자 감지 및 차세대 분자 검출에 포논을 활용하는 새로운 길을 열어줍니다."

저온에서 이 효과의 동역학을 탐구한 연구진은 이 간섭이 전자가 아닌 포논 상호작용에 의해서만 발생한다는 것을 확인했으며, 이는 포논만으로 이루어진 양자 간섭의 드문 사례로 기록되었습니다. 이 효과는 연구에 사용된 특정 2D 금속/탄화규소 시스템에서만 관찰되었으며, 일반적인 벌크 금속에서는 나타나지 않았습니다. 이는 원자적으로 얇은 금속층에 의해 가능해진 특수한 전이 경로와 표면 구성 때문입니다.

이 연구는 또한 갈륨이나 인듐과 같은 다른 2D 금속을 사용하여 유사한 효과를 유도할 가능성을 탐구했습니다. 연구진은 이러한 삽입된 층들의 화학적 조성을 미세 조정함으로써, 맞춤형 양자 특성을 가진 맞춤형 인터페이스를 설계할 수 있었습니다.

라이스 대학교 전기컴퓨터공학과, 재료과학 및 나노공학과 부교수이자 본 연구의 교신저자인 셩시 황(Shengxi Huang)은 "기존 센서와 비교했을 때, 저희 방식은 특수 화학 라벨이나 복잡한 장치 설정 없이도 높은 감도를 제공합니다."라고 말했습니다. "이 포논 기반 접근법은 분자 감지 기술을 발전시킬 뿐만 아니라 에너지 수확, 열 관리, 그리고 진동 제어가 핵심인 양자 기술 분야에서 흥미로운 가능성을 열어줍니다."

이 연구는 미국 국립과학재단(2011839, 2246564, 1943895, 2230400), 공군 과학연구국(FA9550-22-1-0408), 웰치 재단(C-2144) 및 노스텍사스 대학의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250814094658.htm