전기적 나노 소용돌이로 새로운 음향파 만든다…포항가속기연구소 국제공동연구 성과

초고속 충격파를 원하는 형태의 나노 음향파로 변환하는 원리 세계 최초 규명

양자컴퓨터·양자통신 등 차세대 정보기술 활용 기대…네이처 피직스 게재

경북 포항가속기연구소 연구원이 참여한 국제 공동연구팀이 전기적 나노 소용돌이 구조를 활용해 초고속 충격파를 새로운 형태의 나노 음향파로 바꾸는 원리를 세계 최초로 밝혀내며 차세대 양자기술 발전의 가능성을 열었다.

포항가속기연구소 김국태 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 세계적인 물리학 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 지난 17일 온라인 게재됐다.

연구는 숭실대학교 이동렬 교수와 박세영 교수, 미국 캘리포니아대학교 버클리(R. Ramesh 교수) 연구팀이 공동으로 수행했다.

연구팀은 금속 박막에 초고속 레이저를 쏘아 순간적인 충격파를 발생시킨 뒤, 포항가속기연구소의 4세대 X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)를 이용해 물질 내부에서 충격파가 변화하는 과정을 실시간으로 관찰했다.

▲(사진 ) XFEL 실험에 대한 schematics, 초고속 laser가 SrRuO3 층에 흡수되어 시료 내부로 acoustic pulse를 전달하게 됨. 이후 XFEL 펄스를 이용하여 시료의 변화 관측함. (사진 오른쪽)초박막 내부 PbTiO3 층에 형성된 전기 분극의 소용돌이와 그 외의 층에 존재하는 나노 음향파.ⓒ포항가속기연구소 제공

그 결과 전기적 분극이 소용돌이 형태로 배열된 나노 구조가 단순히 파동을 전달하는 것이 아니라, 외부에서 들어온 충격파를 새로운 형태의 나노 음향파로 변환한다는 사실을 세계 최초로 확인했다.

또한 생성되는 음향파의 특성이 나노 구조의 배열 방식에 따라 달라진다는 점도 밝혀내면서 연구자가 원하는 형태의 음향파를 설계하고 제어할 수 있는 가능성을 제시했다.

이번 연구는 미래 양자정보를 특정 방향으로 효율적으로 전달하는 기술 개발은 물론, 양자컴퓨터와 양자통신, 초고속 정보처리 장치 등 차세대 기술의 기반 연구로 이어질 수 있을 것으로 기대를 모은다.

연구의 핵심 장비인 PAL-XFEL은 매우 강력한 X선을 극히 짧은 시간 동안 발생시키는 세계 최고 수준의 연구시설이다.

연구팀은 이 시설의 초고속 X선 펄스를 활용해 강유전체 산화물 초박막 내부에서 일어나는 변화를 피코초(1조 분의 1초) 단위로 추적하며 기존에는 관찰하기 어려웠던 초고속 현상을 직접 규명하는 데 성공했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소지원사업인 숭실대학교 기초과학융합연구소의 지원을 받아 수행됐다.

▲포항가속기연구소 전경ⓒ포항가속기연구소 제공