과학자들은 일반 반도체를 초전도체로 바꾸다

조셉슨 접합 구조는 두 개의 초전도체와 얇은 비전도성 장벽으로 구성된 양자 소자로, 다양한 형태의 게르마늄(Ge)을 사용합니다. 금으로 만든 초게르마늄(super-Ge), 파란색으로 만든 반도체 게르마늄(semiconductor Ge), 그리고 웨이퍼 수준에서 초게르마늄(super-Ge)을 사용합니다. 이 새로운 소재를 사용하여 웨이퍼 수준에서 수백만 개의 조셉슨 접합 픽셀(10마이크로미터 정사각형)을 만들 수 있습니다. 삽도는 결정질 조셉슨 접합의 핵심 요소인 반도체 게르마늄의 동일한 매트릭스에서 초게르마늄의 결정 형태를 보여줍니다. 사진 제공: 패트릭 스트로빈/NYU

수십 년 동안 연구자들은 저항 없이 전류를 전달할 수 있는 초전도체 역할을 할 수 있는 반도체 소재를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 현대 컴퓨터 칩과 태양 전지의 기반이 되는 반도체는 초전도 특성을 갖는다면 훨씬 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있습니다. 그러나 실리콘이나 게르마늄과 같은 소재를 초전도체로 만드는 것은 여전히 ​​큰 과제로 남아 있는데, 이는 전자가 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 섬세한 원자 배열을 유지해야 하기 때문입니다.

전 세계 과학자 팀이 한때 불가능해 보였던 것을 드디어 달성했습니다. 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 에 게재된 새로운 연구에서 , 그들은 초전도성을 나타내는 게르마늄을 개발했다고 보고했습니다. 이는 저항 없이 전기를 전달할 수 있어 에너지 손실 없이 전류를 무한히 순환시킬 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 특성은 전자 및 양자 장치의 성능을 획기적으로 향상시키면서 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

뉴욕 대학교의 물리학자이자 양자 정보 물리학 센터와 양자 연구소 소장인 자바드 샤바니는 "컴퓨터 칩과 광섬유에 이미 널리 사용되고 있는 게르마늄에 초전도성을 구현하는 것은 수많은 소비자 제품과 산업 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다."라고 설명했습니다.

퀸즐랜드 대학교의 물리학자 피터 제이콥슨은 이번 연구 결과가 실용적인 양자 시스템 구축의 진전을 가속화할 수 있다고 덧붙였습니다. "이러한 소재는 미래의 양자 회로, 센서, 그리고 저전력 극저온 전자 장치의 기반이 될 수 있으며, 이 모든 것들은 초전도 영역과 반도체 영역 사이에 깨끗한 계면을 필요로 합니다."라고 그는 말했습니다. "게르마늄은 이미 첨단 반도체 기술의 핵심 소재이므로, 제어된 성장 조건에서도 초전도성을 가질 수 있음을 보여줌으로써 확장 가능하고 파운드리에서 바로 사용 가능한 양자 소자의 잠재력을 확보하게 되었습니다."

반도체가 초전도체가 되는 과정

다이아몬드와 유사한 결정 구조를 가진 IV족 원소인 게르마늄과 실리콘은 금속과 절연체 사이에서 독특한 위치를 차지합니다. 이러한 다재다능함과 내구성은 현대 제조의 핵심 요소입니다. 이러한 원소에 초전도성을 유도하기 위해 과학자들은 원자 구조를 신중하게 변경하여 전도에 필요한 전자 수를 늘려야 합니다. 이렇게 생성된 전자는 쌍을 이루어 저항 없이 물질 내부를 이동하는데, 이는 원자 수준에서 미세 조정이 매우 어려운 것으로 악명 높습니다.

새로운 연구에서 연구진은 전자공학에 일반적으로 사용되는 무른 원소인 갈륨을 다량으로 주입한 게르마늄 필름을 개발했습니다. "도핑"이라고 알려진 이 기술은 오랫동안 반도체의 전기적 특성을 변화시키는 데 사용되어 왔습니다. 일반적으로 높은 농도의 갈륨은 결정을 불안정하게 만들어 초전도성을 방해합니다.

연구팀은 고급 X선 분석법을 사용하여 이러한 한계를 극복하고, 결정 격자에서 게르마늄 원자를 갈륨 원자로 대체하는 정교한 공정을 개발했습니다. 이러한 치환은 결정을 약간 변형시키지만, 전반적인 안정성을 유지하고 3.5켈빈(약 -453도 화씨)에서 저항 없이 전류를 흐르게 하여 초전도체가 되었음을 확인했습니다.

Precision Tools, 원자 제어의 문을 열다

"이온 주입 대신 분자 빔 에피택시를 사용하여 갈륨 원자를 게르마늄의 결정 격자에 정밀하게 결합시켰습니다."라고 퀸즐랜드 대학교의 물리학자이자 이 연구의 공동 저자인 줄리안 스틸은 말합니다. "얇은 결정층을 성장시키는 에피택시를 사용하면 이러한 물질에서 초전도성이 어떻게 나타나는지 이해하고 제어하는 ​​데 필요한 구조적 정밀성을 마침내 얻을 수 있습니다."

샤바니는 "이것이 가능한 이유는 4족 원소가 일반적인 조건에서는 자연적으로 초전도성을 나타내지 않지만, 결정 구조를 바꾸면 초전도성을 가능하게 하는 전자 쌍을 형성할 수 있기 때문입니다."라고 말합니다.

이 연구에는 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)와 오하이오 주립대학교(Ohio State University)의 연구원들도 참여했으며, 미 공군 과학연구국(FA9550-21-1-0338)의 부분적인 지원을 받았습니다. 이 국제적인 협력은 초전도 현상을 오늘날 전자공학을 구동하는 바로 그 소재에 통합하는 데 중요한 진전을 이루며, 컴퓨팅과 양자 기술의 지형을 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251030075105.htm