초록 ▼

연구목표
◦ 최종 연구목표
나노공정 및 극저온에서의 물성 측정기술을 기반으로 양자상태의 생성⋅제어⋅측정 기술을 개발하고 이를 바탕으로 차세대 측정표준기술 및 전략기술을 개발함.
◦ 해당단계 연구목표

< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 출력 200 pA, 상대불확도 10^-7의 양자전류소자를 개발
- 그래핀 기반 양자홀 저항소자개발에 필요한 소자 공정 및 측정기술 개선 및 2차원 신물질을 이용한 융·복합물성 정밀측정 기술 개발
- 저온검출기 개발하여 차세대 표준, 기초과학

연구목표
◦ 최종 연구목표
나노공정 및 극저온에서의 물성 측정기술을 기반으로 양자상태의 생성⋅제어⋅측정 기술을 개발하고 이를 바탕으로 차세대 측정표준기술 및 전략기술을 개발함.
◦ 해당단계 연구목표

< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 출력 200 pA, 상대불확도 10^-7의 양자전류소자를 개발
- 그래핀 기반 양자홀 저항소자개발에 필요한 소자 공정 및 측정기술 개선 및 2차원 신물질을 이용한 융·복합물성 정밀측정 기술 개발
- 저온검출기 개발하여 차세대 표준, 기초과학 및 핵에너지 정책에 측정 기술 제공

< 차세대 전략기술 개발 >
- 나노역학소자의 양자상태 측정기술 개발을 통하여 역학소자의 개별 양자상태를 측정하고 이를 바탕으로 극저온 양자 온도표준 기술 확보
- 규모확장성 주문형 단일광자 광원 기술 및 단일광자 기반 양자광 기술 개발

연구내용
◦ 1년차 연구내용
< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 양자전류 소자 최적화 및 고주파에서의 불확도 메커니즘 연구
- 현재 본연구원에서 개발하여 사용 중인 저온검출기 일종인 자기양자센서 칩의 센서 물질 Au:¹⁶⁸Er를 합성하였으며, 상온부터 mK 온도 영역 까지 자화 물성 측정을 수행하여 적합성 확인
- 그래핀 기반 양자홀 저항소자 개발에 필요한 소자 공정 및 측정기술 개선, 온도에 따른 산화그래핀 소자의 전기전도 특성 측정 및 전도모델 제시

< 차세대 전략기술 개발 >
- 나노역학소자의 양자기저상태 도달을 위하여 냉각 구현(N_th ~ 60 → 7), 극저온 역학소자 측정시스템의 개선을 통하여 여러 소자의 측정 가능, 상온 나노역학 소자 측정 시스템을 활용하여 기존의 방법과는 다른 그래핀 역학소자 구동법을 실험적으로 구현
- 극초단 펄스 광자쌍 광원: fs 펌프 레이저와 PPLN을 이용한 nondegenerate SPDC 광자쌍 광원 제작, PPKTP를 활용한 새로운 구조 설계 및 제작 착수, 광버퍼 제작: 광섬유 기반의 광버퍼 설계 및 분산보상광섬유 분산 측정

◦ 2년차 연구내용
< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 소자 병렬화: 출력 200 pA
- 초전도 인덕턴스 및 Au:¹⁶⁸Er 센서 물질의 자화 이온 농도를 변화 시켜 낮은 에너지를 갖는 입자 검출에서 신호 크기 향상 및 100 mK 온도 영역에서 장시간 핵 분광 측정 기술 연구
- 그래핀/h-BN 헤테로 터널링소자를 이용한 단일막 그래핀 양자축전용량 측정
- 2차원 반도체 (WSe₂, MoS₂) 에너지간극 형성 및 외부조건 (온도, 전하량) 변화에 따른 에너지간극 정밀측정 플랫폼 개발
- 두께에 따른 산화그래핀 소자에서의 전기전도의 차원전이를 측정하고 분광 및 전기적특성 측정시스템을 결합함.

< 차세대 전략기술 개발 >
- 희석 냉동기로 접근 가능한 온도인 약 10 mK 영역에서 양자기저상태에 도달하기 용이할 것으로 예상되는 나노미터 스케일 구조물을 고품질의 합성된 나노선을 적용하여 제작 및 제작된 나노선 역학계의 극저온 측정 기법을 개발함.

- 단일광자광원 성능향상: 극초단 통신파장 예고광자광원 생성률 (2400 cps) 및 예고효율 (60%) 향상, 분산보상 된 광섬유 지연선로를 이용한 다광자 양자간섭계의 HOM 간섭 가시도 0.7±0.1 달성, 4차원 양자상태 일반화 된 벨 부등식 위배 증명실험.

◦ 3년차 연구내용
< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 1, 2년차의 연구를 기반으로 각 에너지 영역에서 최적화 된 다양한 저온 검출기 제작
- 개발된 그래핀/h-BN 헤테로 터널링 분광법을 활용하여 그래핀 초격자 구조에서 발현되는 그래핀 에너지 간극 정밀 측정
- 2차원 반도체 (WSe₂, MoS₂) 에너지간극 정밀 측정을 위한 터널링 소자 공정기술 확립 및 층간 전하수송 기작 연구
- TMDC 소자의 광·전기 융합물성 측정: 소자내부와 테두리의 차이 측정 및 제어

< 차세대 전략기술 개발 >
- 고주파 나노역학계 (예상 양자 점유수 ~ 1)의 제작 및 측정. 2차원 신물질 기반 나노역학소자의 구현 및 측정
- 조셉슨 매개증폭기(Josephson parametric amplifier, JPA)를 이용한 마이크로파 광자의 스퀴즈 상태 생성 및 측정
- 분산보상 된 광섬유 버퍼와 통신파장 광자쌍광원을 활용한 극초단 펄스 32-채널 시간다중화 단일광자광원 개발. 단일광자생성률 0.24% 및 다중화 증강효율 10배 달성. 단일광자 양자상태의 얽힘 (entanglement) 및 차원 (dimension) 정량측정 기술 개발 (4차원 얽힘 실현)

기대효과
(응용분야 및 활용범위 포함)
< 차세대 측정표준기술 개발 >
- 양자도량형 삼각체계 검증 및 기본전하 기반의 암페어 정의 실현
- 절대방사능 측정 등 차세대 표준 업무에 적용되며 Pu 등 전력 핵종 정밀 측정 분야와 중성미자 성질 규명 및 암흑물질 탐구 등 대형 기초과학 연구에 검출기 제공
- 저차원 물질/h-BN 헤테로 터널링 분광법을 이용한 저차원 신물질 양자축전용량 정밀측정플팻폼 기반으로 저차원 반도체 에너지간극 변화량, 양자물성특성 변화 측정을 통하여 저차원 신물질 기반 차세대 양자소자 성능향상에 기여
- 2차원 TMDC 소자의 내부와 테두리의 광·전기특성 차이점을 측정 및 제어하는 기술은 이차원 나노소자의 성능향상에 기여
< 차세대 전략기술 개발 >
- 나노역학소자의 양자상태 측정기술의 개발은 극한 정밀도를 가지는 센서의 개발에 응용될 수 있으며, 또한 양자표준소자에 응용될 수 있음.
- JPA를 이용한 단일광자 수준 마이크로파 측정을 통하여 양자상태 정밀 측정에 활용함.

- 통신파장대역의 주문형 단일광자광원과 고차원 양자상태 측정기술은 규모확장성 있는 양자연산, 보안성과 전송용량이 증대된 양자통신, 고감도 양자센서/이미징 시스템 개발에 기여할 것이며, 관련 양자소자의 특성측정을 위한 양자 메트롤로지의 핵심기술로서 활용함.

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• Ⅰ. 과제 개요 ... 2
• 한 글 요 약 문 ... 5
• Ⅱ. 연구개발의 개요 및 목표 ... 8
• 1. 연구개발 개요 ... 8
• 2. 연구개발 목표 및 평가의 착안점 ... 14
• 3. 연구범위 및 연구수행 방법 ... 17
• Ⅲ. 연구수행 내용 및 결과 (3단계) ... 19
• 1. 1차년도 연구성과 ... 19
• 2. 2차년도 연구성과 ... 26
• 3. 3차년도 연구성과 ... 33
• 4. 연구수행방법의 우수성과 등 ... 40
• 5. 고유임무별 기여내용 ... 41
• 6. 연구성과 및 활용 ... 42
• 7. 연구 투입 자원 내역 ... 53
• 8. 중간진도 점검 결과 및 개선내역 ... 56
• 9. 연구책임자의 자율 평가 의견 ... 56
• 10. 연구수행에 따른 문제점 및 개선방향 ... 56
• 11. 중요 연구변경 사항 ... 56
• 12. 기타 건의사항 ... 57
• Ⅵ. X단계 추진계획 (‘18~’20) ... 58
• 1. 국내·외 관련 분야의 환경 변화 ... 58
• 2. 연구개발 목표 및 내용 ... 59
• 3. 연구 추진 계획 ... 61
• 4. 연구성과 목표 ... 62
• 4. 연구개발 추진체계 ... 63
• 5. 산·학·연 협동연구 추진계획 ... 64
• 6. 국제공동연구(협력) 추진계획 ... 64
• 7. 연구개발결과의 활용방안 및 기대성과 ... 65
• 8. 연구원 편성표 ... 66
• 9. 연구비 소요명세서 ... 69
• 10. 국가과학기술종합정보서비스(NTIS) 입력 자료 ... 75
• 끝페이지 ... 75