핀란드 알토대, 1 제토줄 이하 해상도 볼로미터 개발 성공

볼로미터란 무엇이며 왜 중요한가

볼로미터는 입사 복사선을 열로 변환하는 흡수체와, 온도 상승을 전기 신호로 바꾸는 온도계라는 두 요소로 구성된 복사 검출기다. 현재 운용 중인 방사선 검출 장치 가운데 가장 민감한 축에 속하며, 비선형 발진기·초전도 큐비트·조셉슨 접합 기반 고성능 볼로미터는 약 10⁻²³ J 수준의 마이크로파 단일 광자를 검출할 수 있다. 그러나 기존 장치들은 광자 에너지 해상도가 낮고, 특정 에너지 범위에서만 작동한다는 한계를 가진다.

새로운 설계의 핵심: 흡수체와 온도계의 분리

Möttönen 팀은 금-팔라듐(AuPd) 나노와이어를 두 구간으로 분리하는 구조를 채택했다. 첫 번째 구간은 전송선과의 임피던스를 정합시켜 마이크로파 에너지를 최대한 흡수하도록 설계되었고, 넓은 광자 에너지 범위에 걸쳐 효율적으로 동작한다. 두 번째 구간은 온도계 역할을 맡으며, 나노와이어 옆에 초전도 알루미늄 섬들을 배치해 조셉슨 접합 배열을 형성한다. 이 구성은 흡수체와 온도계를 독립적으로 최적화할 수 있게 해 초전도 특성을 온도 감도에 맞게 별도로 조정하는 것이 가능하다.

조셉슨 접합 기반 온도계는 근접 효과(proximity effect)를 활용한다. 초전도 쿠퍼 쌍이 인접한 일반 금속 내부로 일정 거리 침투하고, 나노와이어가 충분히 좁으면 접합을 가로질러 초전류가 흐른다. 연구팀은 접합 전반에 걸친 인덕턴스 변화를 측정해 단일 광자의 에너지를 1 zJ 미만의 해상도로 결정하는 데 성공했다.

기술 개발 경위

Möttönen 연구팀이 근접 초전도성 기반 볼로미터 연구를 시작한 것은 2010년경으로, 당시 유럽연구위원회(ERC) 스타팅 그랜트 수혜를 계기로 본격화됐다. 초기 설계에서는 금속 흡수체와 조셉슨 접합 온도계가 단일 구조에 통합되어 있었으나, 이번 연구에서는 복수 접합 배열로 확장하고 재료를 이원화함으로써 성능을 크게 향상시켰다.

응용 전망과 한계

연구팀은 이 볼로미터를 이른바 '자율 양자 처리 장치'에 적용할 계획이다. 밀리켈빈 환경에서 큐비트를 측정하고 밀리켈빈 제어기 및 마이크로파 소스를 통해 피드백을 제공하는 방식으로, 양자 컴퓨터 구성 요소의 교정 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다. 또한 단일 광자 수준에서 통신 파장대 신호를 수신하도록 설계를 변형하면, 양자 키 분배(QKD) 기반 초보안 통신 플랫폼으로도 활용 가능하다. 다만 현 단계에서는 연구실 수준의 성능 검증에 머물고 있으며, 실용적 단일 광자 검출기로 발전하기 위해서는 추가적인 소자 개발이 필요하다.