성균관대, 산화아연에서 상온 동작 스핀 큐비트 결함 후보 이론적으로 규명

연구 배경: 다이아몬드 NV 센터의 한계를 넘어서

고체 소자 기반 스핀 큐비트 분야에서는 다이아몬드의 질소-공공(NV) 센터가 상온 양자 정보 유지 능력 덕분에 사실상의 기준점으로 자리잡고 있다. 그러나 다이아몬드는 대면적 단결정 성장이 극히 까다롭고, 현재 반도체 업계의 표준인 CMOS 공정과 근본적으로 호환되지 않는다. 이 두 가지 제약이 다이아몬드 기반 스핀 큐비트의 대량 집적화를 가로막는 핵심 장벽으로 지목돼 왔다.

산화아연이 유력 대안으로 부상한 이유

산화아연은 분자선 에피택시(MBE) 공정으로 초고순도 대면적 웨이퍼 제작이 가능하며, 글로벌 상업 반도체 생산 공정에 이미 폭넓게 통합된 소재다. 특히 산소 동위원소의 99.7%가 핵스핀을 갖지 않아 자기적으로 조용한 환경을 제공하며, 이는 결어긋남(decoherence) 잡음을 낮추는 데 유리하다. 다만 기존에 연구된 인듐·갈륨 등의 얕은 도너 결함은 결합 에너지가 낮아 극저온에서만 동작하고 자외선 영역 방출에 국한된다는 약점이 있었다.

이론 설계와 핵심 물성 예측

성균관대·위스콘신-매디슨대·워싱턴대 공동팀은 밀도범함수이론(DFT)과 그린함수(GW) 시뮬레이션을 결합해 주기율표 전반에 걸친 치환 결함을 체계적으로 탐색한 끝에 몰리브덴 치환 복합체 (MoZnvO)²⁺에 주목했다.

연구팀이 예측한 세 가지 핵심 물성은 다음과 같다. 첫째, 황-리스(Huang-Rhys, HR) 인자가 약 5로, 기존에 알려진 ZnO 결함(10~30)보다 현저히 낮아 격자 진동에 의한 에너지 손실이 적고 가시광 영역의 날카로운 제로-포논선(ZPL)이 발생한다. 둘째, 제1원리 계산 결과 전자 스핀 결맞음 시간(T₂)이 약 4밀리초로 예측되며, 이 한계는 내재적 격자 잡음이 아닌 상자성 불순물 농도에 의해 결정된다. 셋째, 강한 스핀-궤도 결합(SOC)과 얀-텔러 왜곡 억제가 결합돼 스핀 선택적 계간교차(ISC)가 가능해지고, 이를 통해 상온에서도 단일 광학 측정으로 큐비트 스핀 상태를 판독하는 단발 판독(single-shot readout) 구현이 가능하다고 팀은 설명한다.

의미와 한계

이번 연구는 표준 반도체 소재에서 상온 동작 스핀 큐비트의 이론적 경로를 처음으로 제시했다는 점에서 주목된다. CMOS 호환 공정과의 접목 가능성은 집적 양자 네트워크 및 고감도 양자 센서 개발에 실질적인 함의를 갖는다. 다만 현 단계는 순수 계산·이론 연구에 머물러 있으며, (MoZnvO)²⁺ 결함의 실험적 합성, 광학 특성 측정, 그리고 충실도 검증이 뒤따라야 실용화 가능성을 판단할 수 있다. 결함 생성 과정에서 의도하지 않은 불순물 혼입이나 공공 밀도 제어 문제 등 공정 상의 도전 과제도 남아 있다.