스탠포드, 양자 기술을 변화시킬 수 있는 특별한 결정 발견

• 스탠포드 엔지니어들은 극한의 추위에서도 성능이 더욱 뛰어난 뛰어난 소재인 티탄산스트론튬(STO)을 발견했습니다. 극저온에서는 약화되는 대신 광학적 및 기계적 특성이 향상됩니다.
• STO는 저온 환경에서 테스트된 모든 유사한 재료보다 성능이 뛰어나며 탁월한 강도, 안정성 및 조정 가능성을 나타냅니다.
• 이 고유한 기능은 영하의 조건에서 고성능이 필수적인 양자 컴퓨팅, 레이저 시스템 및 우주 탐사 분야의 발전을 가속화할 수 있습니다.

초전도성과 양자 컴퓨팅은 이론 물리학에서 실제 혁신으로 옮겨졌습니다. 2025년 노벨 물리학상은 초강력 컴퓨터로 이어질 수 있는 초전도 양자 회로의 획기적인 발전을 인정했습니다. 그러나 이러한 기술 중 상당수는 대부분의 재료가 고유한 특성을 상실하는 극저온(절대 영도 근처)에서만 작동합니다. 극한의 추위 속에서도 작동하는 재료를 찾는 것은 오랫동안 과학의 가장 큰 장애물 중 하나였습니다.

추위를 이겨내는 수정

새로운 과학 간행물에 따르면, 스탠포드 대학의 엔지니어들은 동결 조건에서 광학적, 기계적 성능을 유지할 뿐만 아니라 향상시키는 물질인 티탄산스트론튬(STO)의 획기적인 발전을 보고했습니다. 성능이 저하되는 대신 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘하여 다른 알려진 재료보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘합니다. 연구원들은 이 발견이 양자 컴퓨팅, 우주 탐사 및 기타 첨단 기술을 추진하는 새로운 종류의 빛 기반 및 기계 극저온 장치의 문을 열 수 있다고 믿습니다.

“스트론튬 티타네이트는 오늘날 가장 많이 사용되는 전기광학 재료보다 40배 더 강한 전기광학 효과를 갖습니다. 그러나 이는 극저온에서도 작동하므로 현재 양자 기술의 병목 현상이 되는 양자 변환기 및 스위치를 구축하는 데 유용합니다.”라고 이번 연구의 수석 저자이자 스탠포드 전기공학과 교수인 Jelena Vuckovic이 설명했습니다.

성능의 한계를 뛰어넘다

STO의 광학적 동작은 “비선형”입니다. 즉, 전기장이 가해지면 광학적 및 기계적 특성이 극적으로 변합니다. 이 전기 광학 효과를 통해 과학자들은 다른 물질이 할 수 없는 방식으로 빛의 주파수, 강도, 위상 및 방향을 조정할 수 있습니다. 이러한 다양성은 완전히 새로운 유형의 저온 장치를 가능하게 할 수 있습니다.

STO는 압전성이기도 합니다. 즉, 전기장에 반응하여 물리적으로 팽창하고 수축합니다. 이는 극한의 추위에서 효율적으로 작동하는 새로운 전기 기계 부품을 개발하는 데 이상적입니다. 연구원들에 따르면 이러한 기능은 우주 진공이나 로켓의 극저온 연료 시스템에 사용하는 데 특히 유용할 수 있습니다.

공동 제1저자이자 현재 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 교수인 크리스토퍼 앤더슨(Christopher Anderson)은 “낮은 온도에서 티탄산스트론튬은 우리가 아는 가장 전기적으로 조정 가능한 광학 재료일 뿐만 아니라 가장 압전적으로 조정 가능한 재료이기도 하다”고 말했다.

간과되었던 자료가 새로운 목적을 찾다

티탄산스트론튬은 새로 발견된 물질이 아닙니다. 수십 년 동안 연구되어 왔으며 저렴하고 풍부합니다. 공동 제1저자인 Vuckovic 연구실의 박사후 연구원인 Giovanni Scuri는 “STO는 특별히 특별하지 않습니다. 드물지도 않습니다. 비싸지도 않습니다.”라고 말했습니다. “실제로 이는 보석의 다이아몬드 대체재로 자주 사용되거나 다른 보다 가치 있는 재료를 재배하기 위한 기질로 사용되었습니다. ‘교과서’ 재료임에도 불구하고 극저온 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다.”

STO를 테스트하기로 한 결정은 어떤 특성이 재료를 고도로 조정 가능하게 만드는지에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌습니다. “우리는 고도로 조정 가능한 물질을 만들기 위해 어떤 성분이 필요한지 알고 있었습니다. 우리는 이러한 성분이 이미 자연에 존재한다는 사실을 발견했으며 이를 새로운 제조법에 사용했습니다. STO가 확실한 선택이었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “우리가 시도했을 때 놀랍게도 우리의 기대와 완벽하게 일치했습니다.”

Scuri는 자신들이 개발한 프레임워크가 다양한 작동 조건에 대해 다른 비선형 재료를 식별하거나 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다.

절대 영도에 가까운 기록적인 성능

5켈빈(-450°F)에서 테스트했을 때 STO의 성능은 연구원들을 놀라게 했습니다. 비선형 광학 반응은 선도적인 비선형 광학 소재인 니오브산리튬보다 20배 더 크고, 이전 극저온 벤치마크인 티탄산바륨보다 거의 3배 더 컸습니다.

그 특성을 더욱 발전시키기 위해 팀은 결정의 특정 산소 원자를 더 무거운 동위원소로 대체했습니다. 이 조정은 STO를 양자 임계성이라는 상태에 더 가깝게 이동하여 훨씬 더 큰 조정 가능성을 생성했습니다.

Anderson은 “물질 내 정확히 33%의 산소 원자에 중성자 2개만 추가함으로써 결과적으로 조정 가능성이 4배 증가했습니다.”라고 말했습니다. “우리는 가능한 최고의 성능을 얻기 위해 레시피를 정밀하게 조정했습니다.”

극저온 장치의 미래 구축

팀에 따르면 STO는 엔지니어에게 매력적으로 보일 수 있는 실질적인 이점도 제공합니다. 기존 반도체 장비를 이용해 웨이퍼 규모로 합성, 구조적 변형, 제작이 가능하다. 이러한 기능 덕분에 양자 정보를 제어하고 전송하는 데 사용되는 레이저 기반 스위치와 같은 차세대 양자 장치에 매우 적합합니다.

이 연구는 양자 하드웨어를 발전시키기 위한 재료를 찾고 있는 삼성전자와 구글의 양자 컴퓨팅 부서에서 부분적으로 자금을 지원 받았습니다. 팀의 다음 목표는 STO의 고유한 특성을 기반으로 완벽하게 작동하는 극저온 장치를 설계하는 것입니다.

“우리는 이 재료를 선반에서 발견했습니다. 우리는 그것을 사용했고 정말 놀라웠습니다. 우리는 그것이 왜 좋은지 이해했습니다. 그런 다음 맨 위에 있는 체리 – 우리는 더 잘하는 방법을 알고 특별한 소스를 추가하여 이러한 응용 분야를 위한 세계 최고의 재료를 만들었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “정말 좋은 이야기네요.”

삼성 및 Google과 함께 이 연구는 미국 국방부와 에너지부의 Q-NEXT 프로그램을 통해 Vannevar Bush 교수 펠로우십의 지원을 받았습니다.

기고자에는 University of Michigan의 Aaron Chan과 Lu Li가 있습니다. 스탠포드 EL Ginzton 연구소의 은성준, Alexander D. White, 안근호, Amir Safavi-Naeini 및 Kasper Van Gasse; Stanford Nano Shared Facility의 Christine Jilly입니다.