뷔르츠부르크대, 간단한 회로로 위상절연체 전기 측정표준 가능성 입증

전기 측정 표준과 양자 홀 효과

국제단위계(SI)는 2019년부터 플랑크 상수·기본 전하 등 물리적 기본 상수에 기반해 정의된다. 전기 저항 분야에서는 양자 홀 효과가 핵심 표준으로 쓰인다. 머리카락 두께의 약 10,000분의 1 수준인 2차원 물질에 지구 자기장의 약 10만 배에 달하는 외부 자기장을 가하면 홀 저항이 h/ne²(h: 플랑크 상수, e: 기본 전하, n: 정수) 값으로 정확히 정량화된다. 현재 이 값은 10⁻¹¹ 수준의 상대 오차로 측정 가능하다.

양자 변칙 홀 효과의 잠재력

2007년 새로운 물질군으로 부상한 위상절연체, 그중에서도 자기 위상절연체는 외부 자기장 없이도 h/e² 값의 정량화된 홀 저항을 나타내는 양자 변칙 홀 효과(QAHE)를 보인다. 자기장이 필요 없다는 점은 전기 저항 표준과 전압 표준을 단일 소자에 통합할 수 있는 가능성을 열어 준다. 전압 기준 소자는 자기장 환경에서 작동할 수 없으므로, 강한 자기장이 필요한 기존 양자 홀 효과와는 달리 QAHE 기반 소자가 두 표준을 하나로 묶을 수 있다. 나아가 전기 표준에 의존하는 킬로그램 표준 장치 개발에도 기여할 수 있다.

그러나 실용화에는 높은 기술적 장벽이 있다. QAHE는 절대영도보다 0.1도 높은 100밀리켈빈 이하에서만 작동하며, 이를 위해 값비싼 희석 냉동기가 필수적이다. 기존 양자 홀 효과가 액체 헬륨으로 도달 가능한 4.2 K에서 작동하고 훨씬 높은 측정 전류를 허용하는 것과 대조적이다.

전기화학 포텐셜 균형 기법

연구팀이 제안한 전기화학 포텐셜 균형(electrochemical potential balancing) 기법은 이 문제에 정면으로 접근한다. 측정 전류가 흐를 때 시료 양쪽 전도성 가장자리 사이에는 강한 전기장이 형성된다. 이 전기장이 임계값을 넘으면 전자가 소재 내부를 통해 가장자리 간을 이동하면서 홀 저항의 정량화 특성이 무너진다. 연구팀은 비교적 단순한 전기회로를 통해 양쪽 가장자리의 전위차를 보상해 이 전기장을 상쇄하는 데 성공했다.

그 결과 4.2 K에서도 기존보다 훨씬 높은 측정 전류 조건에서 QAHE 기반 홀 저항의 안정성이 유지됐다. 또한 이 회로가 고온에서 시료 내부 전류 흐름을 단순화해, 위상학적 특성이 여전히 정량화 상태를 유지한다는 사실을 확인할 수 있었다. 결과는 Nature Communications에 발표됐다.

남은 과제와 전망

연구팀은 QAHE의 위상학적 기여가 근본적으로 기존 양자 홀 효과와 동등한 강인성을 가진다는 점을 실험적으로 입증했다고 밝혔다. 그러나 4.2 K 조건에서 h/e² 값을 계측에 요구되는 정확도로 직접 측정하는 것은 아직 가능하지 않다. 온도가 약간만 높아져도 소재 내부에 원하지 않는 추가 전도 경로가 형성돼 저항값이 이상값에서 벗어나기 때문이다. 연구팀은 이 추가 전도도를 억제할 수 있는 신규 물질계 탐색을 이어갈 계획이다.