국립 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science, NIMS)의 재료나노구조공학 국제센터(International Center for Materials Nanoarchitectonics: MANA)와 도쿄 대학(University of Tokyo)의 연구진은 실리콘 표면 위에 형성된 원자 크기의 두꺼운 초전도체 속에 원자-층간의 단일-원자의 높이 차이가 조셉슨 접합(Josephson junction)으로 활용된다는 것을 발견했다. 조셉슨 접합은 초전도 전류(supercurrent)의 흐름을 제어한다. 이 연구결과는 저널 Physical Review Letters에 게재되었다. 

이번 연구진은 원자 두께의 초전도체에서 원자 층 간의 높이 차이가 초전도 전류의 흐름을 제어할 수 있는 조셉슨 접합으로서 활용될 수 있다는 것을 발견했다. 이번 연구진은 He3 기반의 저온 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)을 사용해서 Si(111)?(7×3)?In 표면의 초전도성을 조사했다.

실리콘 표면 위에서 최근에 발견된 원자 층 초전도체는 원자 크기 두께를 가진 매우 작은 초전도성 나노장치를 개발하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 이러한 장치 제조는 조셉슨 접합의 생성을 필요로 한다. 조셉슨 접합은 초전도성 논리 소자 속의 필수 구성요소이고 이러한 접합을 생성할 수 있는 방법은 아직 잘 알려지지 않았다. 

주사 터널링 현미경을 사용하는 실험과 미시적인 이론적인 계산을 통해서, 이번 연구팀은 조셉슨 볼텍스(Josephson vortex)라고 불리는 특별한 초전도성 상태가 원자-층 초전도체에서 원자 계단(atomic step)을 생성한다는 것을 발견했다. 조셉슨 볼텍스는 초전도성 양자 볼텍스의 일종이다. 이 연구결과를 기반으로 해서, 이번 연구팀은 원자 계단이 조셉슨 접합으로서 작용한다는 것을 발견했다. 또한 이 연구결과는 자기 조직되는 방식으로 조셉슨 접합을 빠르고 대량으로 제조할 수 있게 한다는 것을 보여주었다. 이것은 기존의 초전도성 구성요소를 사용하는 접합 제조 방법과는 대조적이다. 

이 연구결과를 토대로 해서, 향후 연구는 단지 원자 수준의 두께를 가진 조셉슨 소자를 제조할 예정이다. 그래서 이번 연구진은 초전도성 장치에 이것을 적용할 계획을 가지고 있다. 조셉슨 볼텍스가 고온 초전도체에 중요한 역할을 한다고 알려져 있기 때문에 이 부분에 대한 연구도 병행할 예정이다. 고온 초전도체는 전기 자동차 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 고온 초전도체의 초전도 특성을 확인하는데 크게 기여할 것으로 예상된다. 이 연구결과는 저널 Physical Review Letters에 “Imaging Josephson Vortices on the Surface Superconductor Si(111)?(7×3)?In using a Scanning Tunneling Microscope”라는 제목으로 게재되었다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』