애들레이드 연구진, 접합 없는 루프로 SQUID 배열을 절대 자력계로 만들다

Physical Review Applied에 실린 연구는 조지프슨 접합이 없는 초전도 루프가 SQIF 센서에 필요한 다양한 루프 크기를 모사하고 제작을 단순화할 수 있음을 보여 준다.

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남호주 애들레이드대학교(Adelaide University) 연구진이 초전도 양자 간섭 소자(SQUID) 배열을, 그 매력인 감도를 희생하지 않으면서 절대 자기장을 측정할 수 있도록 만드는 더 간단한 방법을 제시했다. 이 대학 양자·나노기술 그룹(QuaNTeG)의 박사과정생 Ross Monaghan과 Jonathan Marenkovic, 부교수 Giuseppe Tettamanzi의 연구는 10월 26일 Physical Review Applied에 게재됐으며(26권, 논문 번호 044077), 전문은 arXiv에서도 볼 수 있다.

문제

SQUID는 조지프슨 접합으로 끊긴 초전도 물질의 루프로, 현존하는 가장 민감한 자기장 검출기 중 하나다. 많은 SQUID 루프를 2차원 배열로 결합하면 매우 강력한 무선주파수 센서가 된다. 대학에 따르면 문제는 이런 소자가 자기장이 정확히 0인 때를 판별하기 어렵다는 점이다.

초전도 양자 간섭 필터(SQIF)에서 쓰는 일반적인 해법은 루프 면적을 일부러 서로 다르게 만들어 배열이 절대 자력계로 작동하도록 하는 것이다. 연구에 따르면 이 요구 조건은 개별 루프의 최적화와 충돌한다. 루프 크기를 바꾸면 인덕턴스와, 좋은 성능을 위해 정밀하게 제어해야 하는 핵심 설계 변수도 함께 바뀌기 때문이다. 이 상충 관계 때문에 이러한 배열은 저자들이 표준 양자 한계에만 제약된다고 설명하는 잠재력을 온전히 발휘하지 못한다. 대학의 발표는 기존 설계에 크기가 다른 루프가 수백, 많게는 수천 개 필요할 수 있다고 지적한다.

기술적 세부 사항

애들레이드 팀은 모든 루프를 같은 크기로 유지하는 대신, 선택한 루프를 조지프슨 접합이 없는 '맨' 초전도 구간으로 바꿨다. 이 맨 루프는 회로 안에서 자기 선속이 분포하는 방식을 바꿔, 배열이 마치 루프 면적이 서로 다른 것처럼 동작하게 한다. 저자들은 이를 '합성 면적 분산'이라 부르고, 맨 루프의 배치를 등가의 물리적 면적 분산과 연결하는 해석적 공식을 도출했다.

이어 맨 루프가 들어간 2차원 SQIF 배열 여러 개를 제작해 극저온에서 작동시켰다. 연구진에 따르면 측정한 소자들은 이론과 일치하게 동작했다.

Tettamanzi는 "신중하게 배치한 맨 루프를 도입하면 최대 감도에 필요한 조건을 유지하면서 같은 효과를 얻을 수 있다"고 말했다.

왜 중요한가

균일한 루프로 충분하다면 제조사는 더 이상 다양한 루프 형상을 가진 대형 배열을 만들 필요가 없어지고, 대학은 이로써 소자를 더 간단하고 저렴하게 만들 수 있을 것이라고 본다. 대학은 가능한 응용으로 뇌 모니터링, 더 민감한 무선주파수 수신기, 저잡음 통신, 전자기 센싱을 꼽았다.

앞으로 지켜볼 점

대학은 상용화에 앞서 추가 시험이 필요하다고 밝혔다. 이 개념은 국제 특허 출원 대상이며, 소자 성능을 높이고 새로운 응용을 탐색하는 후속 연구가 이미 진행 중이다. The Quantum Insider는 11월 2일 대학의 발표를 게재했다.