표준연, 초전도 나노전기역학 소자 활용한 마이크로파 주파수 빗 생성기술 개발

표준연, 초전도 나노전기역학 소자 활용한 마이크로파 주파수 빗 생성기술 개발

- 단백질 분자 등 정밀 질량측정 위한 고성능 나노센서에 활용 기대 -

한국표준과학연구원이 2021년 자체 개발한 소자를 이용해 마이크로파 영역에서 주파수 빗을 생성하는 기술을 개발했다. 분자 단위 정밀 질량측정을 위한 고성능 센서에 활용될 수 있다.

KRISS 양자하이브리드팀이 개발한 이번 기술은 초전도 나노전기역학 소자*에 마이크로파 신호를 입력해 주파수 빗을 생성하는 기술이다. 주파수 빗은 여러 개의 주파수 신호가 머리빗처럼 일정하고 조밀한 간격으로 나타나는 현상을 가리킨다. 연구팀이 생성한 주파수 빗살의 간격은 나노역학 소자의 고유 주파수와 일치하기 때문에 이 간격을 측정하면 소자의 미세한 진동 주파수의 변화를 정밀하게 추적할 수 있다.

* 초전도 나노전기역학 소자: 초전도체로 만들어진 나노스케일의 소자로, 역학적 진동을 전기적으로 측정할 수 있는 소자

연구팀은 소자의 초전도 성능을 발현시키기 위해 소자를 액체헬륨냉동기에 넣어 극저온 환경을 구축했다. 이후 마이크로파 신호 생성기로 소자에 단일 주파수 신호를 입력해 주파수 빗 현상을 관측하는 데 성공했다. 

기존에 사용된 나노역학소자의 주파수 측정법은 소자에 레이저를 쏘아 반사된 빛의 변화를 기준이 되는 레이저 빛과 간섭시켜 그 신호를 분석하는 방식이다. 이 간섭신호에서 나온 나노역학 소자의 주파수를 실시간으로 추적하기 위해서는 특정 주파수의 전기신호와 비교해야 한다. 이러한 방식은 복잡한 광학‧전자장비를 필요로 하기에 잡음 발생원이 많아져 측정성능이 떨어진다.

이번 연구로 밝힌 주파수 빗 생성원리를 활용하면 기존 기술과 달리 복잡한 장비를 사용하지 않고도 단일 주파수의 마이크로파 신호를 입력해 나노역학 소자의 진동 주파수를 측정할 수 있다.

이번 기술은 고성능 나노센서 등 정밀측정을 필요로 하는 다양한 응용분야에 활용 가능하다. 예를 들어 나노역학 소자에 단백질 분자와 같은 초미세 물질이 흡착되면 소자의 질량이 달라져 고유 주파수에 변화가 생기는데, 주파수 빗의 신호를 분석해 이 변화를 포착하면 흡착된 물질의 질량을 측정할 수 있다. 

KRISS 양자하이브리드팀 차진웅 선임연구원은 “주파수 빗 생성기법을 이용한 이번 측정법을 활용하면 기존 나노역학센서보다 수십 배 이상 향상된 정밀도를 얻을 수 있을 것”이라고 전망했다. 

함께 연구를 수행한 서준호 책임연구원은 “이번 실험은 소자의 성능을 극대화하기 위해 극저온에서 진행했지만, 향후에는 상온에서도 기술을 구현시켜 다양한 산업분야에서 주파수 빗을 정밀측정에 응용할 수 있게 할 예정”이라고 밝혔다.

KRISS 기본사업과 국가과학기술연구회, 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Letters, IF: 12.262)에 6월 게재됐다.

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■ 논문 정보

“On-Chip Microwave Frequency Combs in a Superconducting Nanoelectromechanical Device” Nano Letters 22, 13, 5459-5465, 2022.6 (IF. 12.262)

On-Chip Microwave Frequency Combs in a Superconducting Nanoelectromechanical Device | Nano Letters

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연구성과 추가 설명

■ 용어 설명

○ 초전도: 특정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 없어지는 현상을 말하며, 이런 성질을 가진 물질을 초전도체라고 한다.

○ 초전도 나노전기역학 소자(superconducting nanoelectromechanical device): 초전도체로 만들어진 나노스케일의 소자로, 역학적 진동을 전기적으로 측정할 수 있는 소자를 말한다. 

○ 마이크로파: 파장이 라디오파보다 짧고 적외선(IR)보다 긴 전자기파의 한 종류로, 파장의 범위가 1 mm부터 1 m 사이인 전파들을 가리킨다. 파장이 짧으므로 빛과 거의 비슷한 성질을 갖고 있으며 살균력이 강하고 식물이나 물에 잘 흡수돼 열을 발생시킨다. 레이더, 휴대전화, 와이파이(Wi-Fi), 전자레인지 등에 다양하게 사용된다. 저주파나 빛에서는 볼 수 없는 물리적 효과가 강하게 나타나므로 물질의 성질 연구용으로도 사용된다. 

○ 주파수 빗(frequency comb): 빛이나 전기신호가 주파수 영역에서 머리빗처럼 조밀하게 특정 주파수 간격으로 나열된 현상을 말한다.

○ 고유 진동수(natural frequency): 고유 진동수는 역학계가 외력의 영향 없이 자유롭게 진동할 때의 진동수이며, 자연 진동수 또는 고유 주파수라고도 한다.

○ 간섭(interference): 두 개 이상의 파동이 합성되는 경우 진폭이 커지거나 작아지는 현상이다.

■ 연구의 배경 및 의의

빛(light), 즉 전자기장(electromagnetic field)의 파동을 이용한 측정 기술은 다양한 산업 및 과학기술 분야에 사용되고 있다. 특히 레이저(laser)와 광공진기(optical cavity)를 결합한 간섭계를 이용하면 나노역학소자(nanomechanical systems)의 움직임(picometer 수준)과 같은 미세한 물리량을 정밀하게 측정할 수 있다. 

다양한 물리계와 상호작용을 할 수 있는 나노역학소자는 센싱 플랫폼으로서 활발히 연구가 되어 왔다. 단백질이나 분자와 같은 작은 질량을 가진 물질이 나노역학소자에 흡착이 되면 나노역학소자의 질량 변화로 인해 고유진동수의 변화가 생기는데, 이 변화를 레이저 간섭계를 이용해 정밀하게 측정함으로서 미세 질량을 측정하는 방법이 대표적인 측정 방법이다. 

레이저 간섭계의 성능은 레이저 빛의 세기가 셀수록 좋아지는 것이 일반적이다. 하지만 빛의 세기가 세지면 측정 대상인 나노역학소자에 광압(radiation pressure)을 가하여 미세한 움직임을 일으켜 잡음을 발생시켜 간섭계 측정 성능을 저하시킨다. 이는 광압으로 인해 발생되는 빛과 나노역학계의 광역학상호작용(optomechanical interaction)으로 인한 현상인데, 이 상호작용을 이해함으로서 센싱기술과 같은 응용기술에 진보를 가져올 수 있다.  

최근 많은 주목을 받고있는 초전도체 기반 양자소자(superconducting quamtum device)는 현재 무선통신에서 쓰이는 주파수 대역인 수 기가헤르츠(gigahertz 또는 GHz)의 전자기파 즉, 마이크로파(microwave)를 이용해 큐비트, 포논, 스핀 등 다양한 양자상태를 제어하거나 측정한다. 이러한 초전도 소자는 반도체 공정으로 쉽게 제작이 가능한데, 마이크로파 공진기(microwave resonator)와 양자상태를 전기적으로 결합(coupling)시켜 그 상호작용을 이용해 구동시킨다. 대표적인 예로 마이크로파 공진기와 나노역학소자가 결합되어 광역학상호작용 원리를 기반으로 작동하는 초전도나노전기역학소자(superconducting nanoelectromechanical device) 개발 역시 많은 각광을 받게 되었고, 초전도 양자기술 및 나노역학센싱기술에 적용될 수 있는 가능성을 보여주었다.

KRISS가 2021년 자체개발한 초전도 나노전기역학소자를 이용해 주파수 빗 현상을 실험적으로 관측하는 데 성공한 이번 성과는 나노역학소자를 기반으로한 센싱 기술 및 양자소자의 측정 제어를 위한 마이크로파 펄스 생성 기술 개발에 사용 될 수 있을 것이라고 기대된다.

■ 실험 과정 

연구팀은 소자의 초전도 특성을 발현시키기 위해 액체헬륨의 온도인 절대온도 4도에 가까운 극저온 냉동기 내부에서 소자 측정을 수행하였다. 여기에 마이크로파 신호생성기로 소자에 단일 주파수 신호를 입력해 주파수 빗 현상을 관측하는 데 성공했다. 이 주파수 빗 신호는 소자를 구성하는 고성능 마이크로파 공진기와 나노역학소자의 강한 비선형 전기역학적 결합을 구현해 생성한 것이다.

■ 활용 예시

주파수 빗 생성 기법을 통한 나노역학소자의 주파수 측정법은 고성능 나노센서 등 정밀측정을 필요로 하는 다양한 응용분야에 활용이 가능하다. 대표적인 예로 나노역학소자에 가스 분자들이나 단백질 분자와 같은 초미세 물질이 흡착되면 소자의 질량이 달라져 나노역학소자의 고유 주파수에 변화가 생기는데, 주파수 빗의 신호를 분석해 이 변화를 포착하면 흡착된 물질의 질량을 측정할 수 있다. 특히 주파수 빗에서 나오는 나노역학소자의 주파수 신호는 소자의 고유 잡음특성과 비교해 수십배 이상 향상될 수 있는데, 이 측정기법을 사용하면 기존 나노역학센서보다 수십배 이상 향상된 정밀도를 얻을 수 있을 것이라고 예상된다. 

■ 지원사업 

1) 한국표준과학연구원 주요사업 (양자 기반 핵심 측정기술 개발)

2) 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업    

3) 한국연구재단 우수신진연구자 지원사업

4) 삼성미래기술육성재단 

5) 한국연구재단 선도연구센터지원사업

6) 한국연구재단 중견연구자지원사업

7) 미국 Department of Defense 및 Simons Foundation