Adelaide University, 베어루프 도입으로 SQUID 감도 저하 없이 절대 자기장 감지 구현

SQUID의 고질적 성능 절충 문제

SQUID는 현존하는 전자기장 감지 소자 가운데 가장 민감한 장치에 속한다. 뇌 자기 영상(MEG), 정밀 과학 기기, 고주파 센서 등 특수 응용 분야에서 이미 광범위하게 활용되고 있지만, 자기장이 정확히 0이 되는 절대 기점을 파악하는 것은 구조적으로 어려운 과제였다.

기존 해법은 크기가 제각각인 수백에서 수천 개의 초전도 루프를 복잡하게 조합한 회로를 구성하는 것이었다. 이 방식은 절대 기점 식별이라는 목표를 달성하는 데는 효과적이었으나, 소자 전체의 감도(sensitivity)를 낮추는 근본적인 절충을 피할 수 없었다. 즉, 한 가지 성능을 얻기 위해 다른 핵심 성능을 희생해야 했던 셈이다.

베어루프와 '합성 면적 분포' 원리

QuaNTeG 연구팀이 제시한 해법은 발상의 전환에서 출발한다. 루프 크기를 다양화하는 대신 모든 루프의 크기를 동일하게 유지하되, 일부 루프를 조셉슨 접합이 없는 베어루프(bare loop)로 교체하는 것이다. 조셉슨 접합은 전통적 SQUID 소자의 핵심 부품으로, 이를 포함하지 않는 베어루프는 자기 신호가 회로 내에서 전파되는 방식 자체를 변화시킨다.

이 효과를 연구팀은 '합성 면적 분포(synthetic area spread)'라 명명했다. 물리적으로는 크기가 동일한 루프들만 존재하지만, 회로 전체가 마치 다양한 크기의 루프를 내장한 것처럼 동작하게 된다. 핵심은 이 과정에서 최대 감도 유지에 필요한 조건이 훼손되지 않는다는 점이다. 연구는 박사과정생 Ross Monaghan, Jonathan Marenkovic과 화학공학부 부교수 Giuseppe Tettamanzi가 주도했다.

이론 검증과 제조 비용 절감 가능성

연구팀은 이론적 모델을 먼저 정립한 뒤, 극저온 환경에서 동작하는 실제 초전도 회로를 직접 제작하여 실험적으로 검증했다. 실험 결과는 이론 예측과 일치했으며, 논문 원고는 arXiv(arxiv.org/abs/2511.15020)에도 공개되어 있다.

제조 공정 측면에서도 이 설계는 명확한 이점이 있다. 기존처럼 크기가 서로 다른 루프를 대규모 배열로 정밀 가공할 필요가 없기 때문에, 공정이 단순해지고 생산 비용이 낮아질 가능성이 있다. 연구팀은 이 개념에 대한 국제 특허를 출원한 상태이며, 소자 성능 개선 및 새로운 응용 탐색을 위한 후속 연구도 진행 중이다.

응용 전망과 남은 과제

연구팀이 제시하는 잠재 응용 분야는 뇌 모니터링 시스템, 고감도 고주파(RF) 수신기, 저잡음 통신 기술, 고성능 전자기 감지 플랫폼 등으로 다양하다. 초전도 양자센서가 검출의 근본적 양자 한계에 근접할수록, 미약한 신호에서 더 많은 정보를 추출할 수 있어 의료·통신·방산 분야 전반에 파급 효과가 기대된다.

다만 현재는 원리 증명 단계로, 실제 의료기기나 통신 장비에 통합되기까지는 추가적인 검증과 시스템 통합 연구가 필요하다. 상용화까지의 경로는 아직 상당한 개발 단계를 남겨두고 있다.