스탠포드, 양자 기술을 혁신할 수 있는 특별한 결정 발견

양자 소자에 필요한 낮은 온도에서, 스트론튬 티타네이트 결정(보라색 원자와 이중뿔)은 다른 어떤 물질보다 전기장이 빛(파란색)을 수십 배 더 잘 조형할 수 있도록 합니다. 출처: Second Bay Studios

주요 포인트:

• 스탠퍼드 대학교 연구진은 극한의 추위에서도 성능이 더욱 뛰어난 탁월한 소재인 티탄산스트론튬(STO)을 발견했습니다. 이 소재는 약화되는 대신 극저온에서 광학적, 기계적 특성이 향상됩니다.
• STO는 저온 환경에서 테스트된 모든 유사 소재보다 성능이 뛰어나며, 뛰어난 강도, 안정성 및 조정 가능성을 보여줍니다.
• 이 기술의 독특한 기능은 동결 조건에서도 높은 성능이 필수적인 양자 컴퓨팅, 레이저 시스템, 우주 탐사 분야의 발전을 가속화할 수 있습니다.

초전도와 양자 컴퓨팅은 이론 물리학에서 현실 세계의 혁신으로 옮겨갔습니다. 2025년 노벨 물리학상은 초강력 컴퓨터로 이어질 수 있는 초전도 양자 회로의 획기적인 발전을 인정했습니다. 그러나 이러한 기술 중 다수는 극저온(절대 영도에 가까운)에서만 작동하며, 대부분의 재료는 이 온도에서 고유한 특성을 잃습니다. 이처럼 극한의 추위에서도 작동하는 재료를 찾는 것은 오랫동안 과학계의 가장 큰 난관 중 하나였습니다.

추위를 이기는 수정

스탠퍼드 대학교의 엔지니어들은 Science 에 최근 게재한 논문에서 티탄산스트론튬(STO)이라는 소재를 이용한 획기적인 연구를 발표했습니다. 이 소재는 동결 조건에서 광학적, 기계적 성능을 유지할 뿐만 아니라 향상시킵니다. STO는 열화되는 대신 기존 소재보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다. 연구진은 이 발견이 양자 컴퓨팅, 우주 탐사, 그리고 기타 첨단 기술을 발전시키는 새로운 차원의 광 기반 및 기계적 극저온 장치의 가능성을 열어줄 것으로 기대합니다.

"스트론튬 티타네이트는 현재 가장 많이 사용되는 전기광학 재료보다 40배 더 강력한 전기광학 효과를 가지고 있습니다. 또한 극저온에서도 작동하기 때문에 현재 양자 기술의 병목 현상인 양자 변환기 및 스위치 개발에 유용합니다."라고 이 연구의 수석 저자이자 스탠퍼드 대학교 전기공학과 교수인 젤레나 부코빅은 설명했습니다.

성능의 한계를 뛰어넘다

STO의 광학적 거동은 "비선형"입니다. 즉, 전기장이 인가되면 광학적 및 기계적 특성이 크게 변합니다. 이러한 전기광학 효과 덕분에 과학자들은 다른 재료에서는 불가능한 방식으로 빛의 주파수, 강도, 위상 및 방향을 조절할 수 있습니다. 이러한 다재다능함은 완전히 새로운 유형의 저온 장치를 가능하게 할 수 있습니다.

STO는 압전성을 지니는데, 이는 전기장에 반응하여 물리적으로 팽창하고 수축한다는 것을 의미합니다. 따라서 극한의 추위에서도 효율적으로 작동하는 새로운 전기기계 부품을 개발하는 데 이상적입니다. 연구진에 따르면, 이러한 기능은 특히 진공 상태의 우주 공간이나 로켓의 극저온 연료 시스템에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상됩니다.

"저온에서 스트론튬 티타네이트는 우리가 알고 있는 광학 재료 중 전기적으로 가장 조정 가능한 재료일 뿐만 아니라 압전적으로 가장 조정 가능한 재료이기도 합니다."라고 현재 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 공동 제1저자이자 교수인 크리스토퍼 앤더슨이 말했습니다.

간과되었던 소재가 새로운 목적을 찾다

티탄산스트론튬은 새롭게 발견된 물질이 아닙니다. 수십 년 동안 연구되어 왔으며 저렴하고 풍부합니다. 부코비치 연구실의 박사후연구원이자 공동 제1저자인 조반니 스쿠리는 "STO는 특별히 특별한 물질이 아닙니다. 희귀하지도 않고, 비싸지도 않습니다."라고 말했습니다. "사실, STO는 보석류의 다이아몬드 대체재나 다른 더 가치 있는 재료를 성장시키는 기질로 자주 사용되어 왔습니다. '교과서'에 나오는 물질임에도 불구하고 극저온 환경에서는 매우 우수한 성능을 보입니다."

STO를 시험하기로 한 결정은 재료의 어떤 특성이 고도로 조절 가능한지에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌습니다. "우리는 고도로 조절 가능한 재료를 만드는 데 필요한 성분이 무엇인지 알고 있었습니다. 그 성분들은 자연에 이미 존재한다는 것을 발견했고, 새로운 레시피에 간단히 사용했습니다. STO는 당연한 선택이었습니다."라고 앤더슨은 말했습니다. "실제로 사용해 보니 놀랍게도 기대에 완벽하게 부합했습니다."

스쿠리는 자신들이 개발한 프레임워크가 다양한 작동 조건에 맞는 다른 비선형 재료를 식별하거나 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였다.

절대 영도에 가까운 기록적인 성능

5켈빈(-450°F)에서 시험했을 때 STO의 성능은 연구자들을 놀라게 했습니다. STO의 비선형 광학 응답은 선도적인 비선형 광학 소재인 리튬 니오베이트보다 20배, 그리고 이전 극저온 벤치마크였던 티탄산바륨보다 거의 3배나 높았습니다.

연구팀은 그 특성을 더욱 발전시키기 위해 결정 내의 특정 산소 원자를 더 무거운 동위원소로 대체했습니다. 이러한 조정을 통해 STO는 양자 임계성이라는 상태에 더 가까워졌고, 그 결과 더욱 뛰어난 조정 가능성을 갖게 되었습니다.

앤더슨은 "소재 내 산소 원자의 정확히 33%에 중성자 두 개만 추가함으로써 결과적으로 조정 가능성이 4배 증가했습니다."라고 말했습니다. "우리는 최상의 성능을 얻기 위해 레시피를 정밀하게 조정했습니다."

극저온 장치의 미래 구축

연구팀에 따르면, STO는 엔지니어들에게 매력적으로 다가갈 수 있는 실용적인 장점도 제공합니다. 기존 반도체 장비를 사용하여 웨이퍼 단위로 합성, 구조 수정 및 제작이 가능합니다. 이러한 특징 덕분에 양자 정보를 제어하고 전송하는 데 사용되는 레이저 기반 스위치와 같은 차세대 양자 장치에 매우 적합합니다.

이 연구는 삼성전자와 구글의 양자 컴퓨팅 부서의 일부 자금 지원을 받았으며, 두 회사 모두 양자 하드웨어를 발전시킬 소재를 찾고 있습니다. 연구팀의 다음 목표는 STO의 고유한 특성을 기반으로 완벽하게 작동하는 극저온 장치를 설계하는 것입니다.

"우리는 선반에서 이 소재를 발견했습니다. 사용해 보니 정말 놀라웠죠. 왜 좋은지 알게 됐죠. 그리고 덤으로, 더 나은 소재를 만드는 방법을 알고 있었고, 거기에 특별한 소스를 더해 이런 용도에 맞는 세계 최고의 소재를 만들어냈습니다." 앤더슨은 말했다. "정말 멋진 이야기입니다."

이 연구는 삼성과 구글과 함께 미국 국방부와 에너지부의 Q-NEXT 프로그램을 통해 Vannevar Bush 교수 펠로우십의 지원을 받아 수행되었습니다.

기여자로는 미시간 대학의 Aaron Chan과 Lu Li, 스탠포드 EL Ginzton 연구실의 Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini, Kasper Van Gasse, 그리고 스탠포드 나노 공유 시설의 Christine Jilly가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251108083912.htm