■ 초전도체 컴퓨팅 시대 실마리 단서 찾았다!

 

■ 초전도체 컴퓨팅 시대 실마리 단서 찾았다!

 

● 일방향 초전도체 구현.."컴퓨팅 속도 수백배 개선 가능"

 

에너지 손실 없이 전자가 빠르게 이동하는 초전도체의 특성을 살린 컴퓨터를 만들 날이 올까? 초전도체 컴퓨팅을 가능하게 할 실마리가 풀렸다. 자기장 없이 전자가 한 방향으로 흐르는 초전도체 구현에 성공한 것이다. 네덜란드 델프트공대 연구진은 2차원 양자 물질을 활용한 일방향 초전도체를 구현했고, 관련 연구 성과를 학술지 '네이처'에 최근 공개했다. 초전도체는 극도로 낮은 온도에서 전기 저항이 사라지는 물질이다. 이 상태에서는 전류가 에너지 손실 없이 영구적으로 흐르며, 외부 자기장을 밀어내는 성질을 띈다. 현재 초고속 자기 부상 열차나 MRI 촬영 등에 사용되고 있다. 이같은 성질 때문에 초전도체를 컴퓨터 등 전자 기기에 적용하면, 전자가 지금보다 수백배 빠르게 이동해 성능이 획기적으로 향상되고, 에너지 소비도 줄어든다. 네덜란드 연구개발위원회(NWO)에 따르면, 일반 반도체 대신 초전도체를 쓰면, 서구 세계의 에너지 소비가 10% 줄어들 전망이다.

 

■ 그동안 불가능했던 일방향 초전도체 구현 성공

 

하지만, 그동안, 초전도체에서 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 것은 불가능하다고 간주됐다. 반도체는 음전하를 띄는 전자와 양전하를 띄는 양공이 생겨 전자가 한 방향으로 이동한다. 반면, 초전도체는 일반 전도체와 같이 이런 불균형이 없어 전류가 양방향으로 흐른다. 마찬가지로, 초전도체 사이에 얇은 부도체를 끼워넣어도 두 초전도체 사이에 전류가 흐르는 특이한 현상이 발생하는 '조셉슨 접합'의 경우에도 전류의 흐름을 한 방향으로 제어할 방법은 없었다. "일방향 초전도체 개발은 마치 이쪽 방향으로 스케이트를 탈 때는 마찰이 전혀 없고, 저쪽 방향으로 갈 때는 극복할 수 없는 마찰이 생기는 얼음을 발명한 것과 비슷하다.

 

연구진은 원자층 몇개 정도의 얇은 2차원 양자 물질을 연구하다 일방향 초전도체를 구현하는 성과를 발견했다. 이들은 나이오븀과 브롬 원자로 만든 Nb₃Br8층을 더 얇게 만들수록 전도성이 높아지는 것을 발견했고, 이를 조셉슨 접합 소자의 부도체층으로 사용할 때, 일방향 초전도체가 됨을 확인했다. 또한, 자기장이 없는 환경에서 일방향 초전도체를 구현한 것도 주목할만 하다. 자기장 안에서 초전도체를 조절하기란 매우 까다롭기 때문이다. 전류의 방향을 조절하는 반도체 다이오드에 해당하는 초전도체 조셉슨 다이오드를 만든 것이다.

 

● "20세기는 반도체 시대, 21세기는 초전도체 시대 될 것"

 

기존 반도체를 초전도체 기술로 대체하면, 기존 컴퓨터보다 300-400배 빠른 테라헤르츠급 컴퓨터도 가능할 것으로 연구진은 기대했다. 데이터센터 에너지 효율도 수천배 올릴 수 있다고 파퓰러사이언스는 보도했다. 데이터센터는 세계 에너지 소비의 1%를 차지한다. 일방향 초전도체는 양자 컴퓨터에 활용될 수 있다. 양자 컴퓨터는 극저온 환경에서 작동하는데, 이런 환경에선 전자의 움직임도 제약을 받는다. 하지만, 극저온 초전도체 다이오드는 저온에서도 문제없이 작동한다. 우선 과제는 더 높은 온도에서도 작동하는 초전도체 개발이다. 연구진은 액화질소로 냉각할 수 있는 77K(약 영하 196℃) 수준에서 조셉슨 다이오드가 동작하게 하는 연구를 수행할 계획이다. 또한, 반도체에 수백만 개 수준의 조셉슨 다이오드를 구현하는 대량 생산 기술에도 도전한다.