쾰른대, BiSbTeSe₂ 조셉슨 접합 터널링 분광으로 위상 초전도성 갭 소멸 직접 확인

연구 배경: Fu-Kane 이론과 위상 양자 컴퓨팅의 목표

위상 양자 컴퓨팅은 마요라나 제로 모드(Majorana zero mode)에 정보를 비국소적으로 인코딩해 국소 전하 잡음과 자기 요동에 대한 하드웨어 수준의 보호를 달성하려는 접근이다. 이를 위한 이론적 토대는 2008년 Fu와 Kane이 제안한 모델로, 위상 절연체-초전도체 계면에서 마요라나 모드가 자연스럽게 출현한다고 예측한다. 그러나 이 예측에 대한 직접적 국소 분광 증거는 오랫동안 확보되지 않았다.

기존 주류 실험 방식은 1D 반도체 라샤바(Rashba) 나노와이어 계열이었다. 강한 면내 자기장이 필수적인 이 방식은 초전도성을 약화시키고, 하찮은 결함 상태에서 발생하는 위양성 영점 편향 전도 피크를 만들어내는 고질적 문제를 안고 있었다.

실험 설계: RF-SQUID 루프와 이중 터널 전극

연구팀은 벌크 절연성 3D 위상 절연체인 BiSbTeSe₂ 박편에 알루미늄 접촉자를 형성해 50 nm 길이의 평면 조셉슨 접합을 제작했다. 이 접합은 표면 결맞음 길이보다 짧은 단접합(short-junction) 한계에서 동작하며 1D 앤드리브 모드를 수용하는 구조다.

접합은 RF-SQUID 루프 안에 내장돼 약한 면외 자속으로 초전도 위상차 φ를 체계적으로 조절할 수 있도록 설계됐다. 측정은 금(Au)/알루미나(Al₂O₃) 이중 터널 전극(TJ1, TJ2)을 사용해 50 mK 극저온에서 두 독립적인 공간 위치의 국소 상태 밀도를 동시에 기록하는 방식으로 이뤄졌다. 후면 게이트를 −20 V에서 +20 V까지 스윕해 화학 퍼텐셜을 Δμ ≥ 40 meV 범위로 변화시켜도 고투과 상태가 유지됨을 확인함으로써, 미세 조정된 양자점 아티팩트 가능성을 배제했다.

핵심 결과: 갭 소멸과 볼텍스 국소화

BiSbTeSe₂ 위상 표면 상태는 스핀-모멘텀 잠금(spin-momentum locking) 특성으로 인해 수직 궤적에서 정상 역산란이 금지되며, 이로 인해 앤드리브 반사 투과율이 τ ≈ 1에 가깝게 강제된다. 이 메커니즘 덕분에 반도체 나노와이어 방식처럼 파괴적인 제만 자기장을 도입하지 않고도 위상 초전도성 조건에 접근할 수 있다.

50 mK 미분 전도도 측정 결과, φ = 0에서 ±130 μeV의 결맞음 피크가 위상차가 π에 접근할수록 영점 편향 특징으로 병합됐다. 이는 갭 소멸과 기저 상태 패리티 반전에 부합하는 거동이다. 추가로 5~6 mT 자기장 범위에서 개별 조셉슨 볼텍스 코어가 접합으로 진입하는 과정이 공간적으로 분해됐으며, 두 터널 전극이 230 μT 대 200 μT의 서로 다른 위상 주기성을 기록해 영에너지 모드가 공간적 위상 구배에 국소화됨을 뒷받침했다.

기술적 한계와 향후 과제

이번 연구에는 뚜렷한 한계가 있다. 측정계의 에너지 분해능이 약 30 μeV이기 때문에, 갭 소멸 현상은 투과율 하한 τ ≥ 0.95를 지지하는 수준에 머물며, 갭리스 전이에 대한 결정적 증명에는 이르지 못했다. 준고전적 전자 궤적의 존재로 인해 근접 효과가 완전히 유도되지 않은 소프트 갭(soft gap)도 미해결 과제로 남아 있다.

연구팀은 브레이딩(braiding) 구현 로드맵을 위해 고임계 자기장 니오브(Nb) 전극으로의 전환과, 4π 주기 페르미온 패리티 반전 검증을 위한 전하 감지 전기계측법(charge-sensing electrometry) 도입을 다음 단계로 제시했다. 이번 연구는 ML4Q(Matter and Light for Quantum Computing) 클러스터 오브 엑설런스 프레임워크 내에서 수행됐다.