포스텍(POSTECH)은 이길호 물리학과·융합대학원 교수 연구팀이 미국 MIT, BBN, 워싱턴 대학, NIMS 등 연구팀과 공동으로 그래핀을 이용해 단일 광자까지 검출할 수 있는 초고감도 양자 센서를 개발했다고 4일 밝혔다.
빛은 '광자'라는 아주 작은 에너지 단위로 이루어져 있다. 이 알갱이를 하나씩 검출하는 기술은 양자통신, 양자컴퓨팅, 우주 관측 같은 첨단 기술의 핵심으로 꼽힌다. 기존의 단일 광자 검출 기술은 반도체 전자 구조나 초전도체의 에너지 틈을 이용하는데, 이 방식은 안정적이지만, 비교적 높은 에너지를 가진 빛에만 반응한다는 한계가 있다. 특히, 적외선이나 마이크로파처럼 에너지가 낮은 빛은 검출이 어려워 새로운 방식의 센서 기술이 필요했다.
연구팀이 주목한 것은 그래핀 속 '디랙(Dirac) 전자'의 독특한 열적 특성이다. 그래핀은 전자들이 매우 가볍게 움직이고 열을 거의 저장하지 않는 물질이다. 그만큼 아주 작은 에너지에도 쉽게 온도가 변하는, 일종의 '초민감 온도계'라고 할 수 있다.
연구팀은 이를 활용해 그래핀 기반 조셉슨 접합 소자를 만들었다. 핵심은 빛을 전기 신호로 읽어내는 기존과 달리, 광자가 흡수되면서 발생하는 '미세한 열 변화'를 감지하는 데 있다. 마치 어두운 방에서 작은 촛불 자체는 보이지 않아도, 퍼져 나오는 열기로 존재를 알아채는 것과 비슷하다.
실험 결과, 광자가 한 개 흡수되었을 때 그래핀 전자 온도가 약 2K(캘빈)까지 상승했고, 그로 인해 초전도 상태가 깨지며 발생하는 변화를 전기 신호로 읽어내는 데 성공했다. 즉, '빛 알갱이 한 개가 지나갔다'라는 것을 전기적으로 확실하게 확인한 것이다.
성능도 뛰어났다. 87%의 높은 검출 효율을 보였으머, 잘못된 신호를 감지하는 오검출률은 초당 1회 이하, 조건에 따라 일주일에 1회 수준까지 낮췄다. 또 기존 기술과 비교해도 경쟁력 있는 초고감도를 달성했다. 이번 연구는 특정 에너지 문턱을 넘어야만 빛을 감지할 수 있던 기존 방식에서 벗어나, 극미세한 열 변화까지 읽어내는 광자 검출 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다.
이길호 교수는 “기존 검출 기술은 일정한 에너지 문턱을 넘어야만 신호를 감지할 수 있었지만, 이번 연구는 훨씬 작은 에너지 변화까지 읽어낼 수 있는 새로운 접근법”이라며 “적외선부터 마이크로파 영역까지 확장해 우주 관측, 양자통신, 암흑물질 탐색 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 했다.
과학기술정보통신부 및 한국연구재단, 정보통신기획평가원, 삼성미래기술육성사업, 삼성전자 등 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
