Penn 연구진, 질화알루미늄 포노닉 결정으로 1GHz 음향파 위상 보호 무산란 전송 구현

20년 전 위상 이론이 음향 소자로 이어지다

약 20년 전 펜실베이니아대 이론물리학자 Charles Kane과 Eugene Mele는 위상수학이 특정 물질 속 전자의 이동을 지배한다는 양자스핀홀 효과를 이론으로 예측했다. Johnson 교수팀은 이 위상 개념이 전자파나 광파에 국한되지 않고 음향파에도 동일하게 적용된다는 점에 착안해 소자 설계를 추진했다. 오스틴 소재 텍사스대학교와의 공동 연구로 이루어진 이번 성과는 순수 이론이 실용적 소자 개발로 이어지는 데 약 20년이 걸렸음을 보여 준다.

소재보다 구조 — 별 모양 격자 패턴의 역할

소자는 휴대폰 부품에 이미 활용되며 표준 반도체 공정과 호환되는 질화알루미늄으로 제작됐다. 핵심은 소재 자체가 아니라 칩 표면에 새긴 미세한 별 모양 격자 패턴이다. 경계선을 기준으로 양쪽의 패턴 배열 방향이 서로 반대로 설정돼 있어, 음향파는 반드시 이 경계면을 따라 진행하게 된다. 방향을 역전하려면 패턴 배열 관계 자체를 뒤집어야 하는데, 그것은 극단적 외란 없이는 불가능하다. 이 구조적 비대칭이 신호 역반사를 원천적으로 억제한다.

가장 어려운 과제: 소리에 '스핀'을 부여하다

전자는 진행 방향에 대한 회전 성질인 스핀을 자연적으로 가지지만 음향파는 그렇지 않다. 위상 보호 설계에서 스핀에 해당하는 성질을 음향파에 인위적으로 부여하는 것이 연구의 핵심 난제였다. 제1저자 대학원생 Yue Jiang은 수년에 걸친 반복적 설계 실패를 거치며 격자 패턴을 최적화했고, 최종적으로 약 1GHz 음향파가 120도 꺾인 모서리를 산란 없이 통과하고 사방향 분기점에서도 설계된 방향으로만 분기하는 동작을 실험으로 확인했다.

양자컴퓨팅과 이동통신에 대한 잠재적 함의

현재 일부 양자컴퓨팅 연구 그룹은 양자 정보 운반 매체로 1GHz대 음향파를 활용하고 있다. 소재 결함에 의한 산란은 양자 신호 충실도를 저하시키는 고질적 문제인데, 위상 보호 채널은 이 취약한 신호를 목적지까지 정확히 전달하는 경로를 제공할 수 있다. 이동통신 분야에서는 연구팀이 다음 단계 목표로 작동 주파수를 6~10GHz 대역까지 높이는 것을 설정했다. 성공할 경우 신호 처리 효율이 높아져 약한 신호 환경에서도 통신이 가능해지고, 기지국 인프라 밀도를 낮추는 데도 기여할 수 있다.

현재 한계와 향후 과제

현재 소자는 약 1GHz에서 동작하며, 휴대폰이 목표로 삼는 6~10GHz 대역으로의 주파수 도달은 아직 검증되지 않은 미래 과제다. 위상 보호 효과가 실제 양자컴퓨팅 환경의 잡음 조건이나 극저온에서도 충분히 유지되는지도 추가 연구가 필요하다.