초록 ▼

□ 연구개요
단일 포논과 전자의 파동함수가 상호작용하는 새로운 양자 시스템인 단일 포논 공진기의 실현을 통해 전자와 포논의 상호작용을 나노스케일에서 연구하고 단일 포논 양자 상태 연구의 기초를 마련함을 연구의 목표로 삼았다. 이를 위해 1) 단일 포논의 양자 상태를 충분히 긴 시간 유지할 수 있는 고효율 포논 공진기를 완성하고, 2)단일 포논과 전자의 상호작용을 구현할 수 있는 단일 포논-전자계 결합 메커니즘을연구하며, 3) 단일 포논-전자의 상호작용에 의한 물리적 결과를 탐구하고 단일 포논을 응용한 새로운소자로서의 활용성을

□ 연구개요
단일 포논과 전자의 파동함수가 상호작용하는 새로운 양자 시스템인 단일 포논 공진기의 실현을 통해 전자와 포논의 상호작용을 나노스케일에서 연구하고 단일 포논 양자 상태 연구의 기초를 마련함을 연구의 목표로 삼았다. 이를 위해 1) 단일 포논의 양자 상태를 충분히 긴 시간 유지할 수 있는 고효율 포논 공진기를 완성하고, 2)단일 포논과 전자의 상호작용을 구현할 수 있는 단일 포논-전자계 결합 메커니즘을연구하며, 3) 단일 포논-전자의 상호작용에 의한 물리적 결과를 탐구하고 단일 포논을 응용한 새로운소자로서의 활용성을 탐색하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
단일 포논과 전자의 상호작용을 극대화하기 위해서는 1) 단일 포논에 의한 고체 격자 변형의 최대화, 2) 단일 포논 상태의 장시간 유지라는 조건이 요구된다. 이러한 두 가지 조건은 1) 실험계의 크기를 나노미터 스케일로 줄이고, 2) 포논 진동의 외부 손실을 최소화하는 것으로 만족시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이를 위해 본 연구에서는 나노역학소자기술을 적용하였다. 특히 단일 포논 상태 유지에 적합한 높은 Q-값을 가진 공진기에 집중하여 소자 표면의 원자 결함을 최소화 할 수 있는 합성 나노선 기반 포논 공진기를 제작하였다. 이 때 열적 요동이 최소화된 단일 포논 한계에서의 물리적 효과를 관찰하기 위해 높은 진동수의 공진기를 극저온에서 측정하였다. 제작한 합성 나노선 기반 단일 포논 공진기는 나노선 내부 전자 상태와 단일 포논 모드의 상호 작용을 자연스럽게 이끌어 낼 수 있는 장점이 있으며, 나노선 전위를 주변에 위치한 게이트 전극와 다르게 유지함으로써 이러한 상호작용을 생성하였다. 이렇게 성립된 전자-포논 모드의 상호작용을 통해 나노선의 진동에 공명하는 포논 모드에 의해 전자의 수송이 변화하게 되고, 이러한 전기적 특성 변화의 측정을 통해 나노역학소자 공진 모드 포논의 특성과 전자-단일 포논 상호작용의 물리적 결과를 탐구하였다. 구체적으로, 1) 나노역학계에 기반한 포논 공진기를 구현하고 그 특성을 극저온에서 평가하였다. 먼저 단결정 금 나노선을 이용한 나노역학계 포논 공진기를 제작하고 극저온에서 그 특성을 자기장 영향 아래 RF 전류에 의한 기전력을 측정하여 공진기 주파수와 Q-값을 얻었다. 한편 반도체 (InAs) 나노선으로 제작한 소자의 근처에 DC 전압을 가진 게이트를 두고 여기에 RF 전압을 인가하여 나노선의 역학적 거동을 생성하고 이에 따라 유발된 나노선 전도도의 변화를 측정하여 나노역학계 공진 특성을 알아내었다. 연구 과정에서 온도에 대한 금 나노선의 공진 특성 연구를 통해 표면의 비정질 형태 two-level state에 관한 정보를 알아내었으며, 반도체 나노선 내부 전자계가 가지는 수송 특성과 공진기 주파수 및 Q-값에 강한 상관관계가 있음을 발견하였다. 2) 위상부도체 나노선의 포논 공진 모드 연구를 통해 표면 위상학적 전자 상태의 양자 커패시턴스 효과가 나노선 공진기의 주파수 변화에 미치는 영향을 최초로 규명하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
연구된 단일 포논 공진기는 두 가지 서로 다른 물리적 양자인 단일 포논과 고체 내 전자의 결합이 존재하는 양자 하이브리드 시스템으로서 신개념 양자 소자의 기반 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 한편 포논은 근본적으로 음파와 같은 물질의 기계적 진동의 최소 단위이며 이러한 진동은 역학적 진동자로써 정밀 물리량의 측정, 특히 힘, 가속도 및 질량의 측정에 널리 응용된다. 따라서 단일 포논의 연구는 힘의 양자 한계 혹은 그 이상의 초정밀 측정을 가능하게 하는 기초를 마련해줄 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 1. 단결정 금 나노선 기반 나노역학계의 표면 Two-level state에 의한 손실 특성 연구 ... 5
• 2. 나노역학계 양자 조임 상태의 양자비파괴 측정 연구 ... 6
• 3. Indium arsenide 나노선 기반 나노역학계에서 나타나는 전자 수송 특성과 나노역학계 거동의 상관관계 연구 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 대표적 연구실적 ... 12
• 끝페이지 ... 20