CIC nanoGUNE 연구팀, 트라이앵귤린 사슬 홀짝성으로 초전도체-스핀 결합 온오프 제어 확인

홀짝성이 결정하는 양자 결합

이번 연구의 핵심은 단위 분자 수의 홀짝성(parity)이 초전도 결합의 스위치 역할을 한다는 점이다. 홀수 개의 분자로 이뤄진 사슬은 초전도체와 자기적으로 결합하지만, 짝수 개의 사슬에서는 그 결합이 사라진다. 분자 하나의 차이가 물리적 현상 자체를 바꾸는 것이다. 이 원리를 활용하면 사슬 길이 조절만으로 초전도 환경에서의 큐비트 결합을 정밀하게 제어할 수 있다.

연구 대상: 홀데인 위상과 트라이앵귤린

연구에 사용된 분자는 그래핀을 삼각형으로 자른 나노 조각인 트라이앵귤린으로, 각 단위체는 스핀 S=1을 가진다. 이들을 사슬로 연결하면 스핀들이 집단적으로 얽혀 40여 년 전 이론적으로 예측된 홀데인 위상(Haldane phase)을 형성한다. 홀데인 위상의 대표적 특성은 사슬 양 끝단에서 분수 스핀 S=1/2 상태가 출현한다는 것이다. 연구팀은 바로 이 끝단 상태가 초전도체와 어떻게 상호작용하는지를 직접 관측하고자 했다.

이중 특성 기판 개발: 니오븀 위의 금 박막

실험에는 독특한 기술적 접근이 필요했다. 탄소 나노구조물 합성에는 금(Au) 표면이 최적이지만 금은 초전도성이 없다. 반면 초전도체인 니오븀(Nb)은 분자 합성 환경에 적합하지 않다. 연구팀은 니오븀 결정 위에 두께 25~30 원자층의 금 박막을 성장시켜 이 딜레마를 해결했다. 근접 효과(proximity effect)로 금 박막 자체가 초전도 특성을 갖게 되면서, 화학적으로는 금 표면처럼 작동하고 전자적으로는 초전도체처럼 거동하는 하이브리드 플랫폼이 완성됐다. 이 기판에서 트라이앵귤린 사슬을 표면 합성으로 제작하고 터널링 현미경 및 분광학으로 측정을 수행했다.

홀짝성 효과의 실험적 확인

측정 결과, 홀수 트라이앵귤린 사슬에서는 자기 모멘트와 초전도 상태 간 결합의 특징적 스펙트럼 신호가 명확히 검출됐다. 반면 짝수 사슬에서는 동일한 신호가 검출되지 않았다. 이는 분자 하나의 추가·제거로 초전도 결합 여부를 이분법적으로 전환할 수 있음을 뜻한다.

의미와 향후 과제

이 연구는 자기 분자를 큐비트로 활용할 때 초전도 환경과의 결합을 분자 수준에서 설계·제어하는 방법론을 제시한다. 나아가 원자 수준으로 정밀한 분자 소재 합성과 초전도 물리를 하나의 플랫폼에서 결합하는 기반을 닦았다는 점에서 학문적 의의가 크다. 다만 현 단계는 기초 물리 검증이며, 실용 양자 소자로 발전하기까지는 잡음 환경에서의 안정성, 사슬 길이 제어의 재현성, 더 복잡한 위상 상태로의 확장 등 과제가 남아 있다.