과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 노정혜, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 3월 수상자로 연세대학교 최현용 교수를 선정했다고 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 최현용 교수가 레이저를 이용해 스핀과 밸리 두 개의 양자 정보를 변환할 수 있는 양자 소자를 제작하고, 세계 최초로 이를 검출하는 데 성공한 공로가 높이 평가되었다고 선정 배경을 설명했다.

양자역학에 의하면 전자는 전하뿐 아니라 스핀(spin), 밸리(valley) 자유도 등의 다양한 정보를 담을 수 있다. 이전까지 모든 반도체 소자에서는 전하 정보만을 활용했고, 이러한 소자 집적도가 높아지면서 전자산업도 발전해 왔다.

하지만 소자를 더 작게 만드는 것이 한계에 부딪히면서 종전의 전자에서 전하 정보만을 이용하는 디지털 정보 외에 스핀과 밸리와 같은 다중 자유도를 정보의 기본 단위로 활용해 현재 전자 산업이 갖는 여러 문제를 해결하려는 시도가 이루어지고 있다.

최현용 교수는 이러한 스핀과 밸리 정보를 동시에 발생시킬 수 있는 이종접합 소자를 제작하고, 기존 양자기술에서는 불가능했던 상온 동작에 성공해 빛과 전압만을 이용해 스핀과 밸리 정보를 제어할 수 있는 새로운 소자 플랫폼을 구축했다.

연구팀은 상온에서 밸리-스핀 정보변환을 확인하기 위해서는 이전까지 없었던 새로운 소자 구조가 필요하다고 판단하고, 차세대 광응용 소재로 각광받고 있는 텅스텐셀레늄(WSe2)과 위상 절연체(Bi2Se3)를 단층 그래핀으로 매개해 연결한 이종접합 소자를 설계했다.

전이금속 디칼코게나이드 물질 군에 속하는 텅스텐셀레늄 물질은 차세대 광양자 정보 소재로 주목받는 물질로, 연구팀은 광전류 실험을 통해 밸리-스핀 변환을 상온에서 직접 측정하는 데 성공했다.

이 연구는 연산의 집적도를 획기적으로 높이면서도 전력 소모를 줄일 수 있고, 정보 소자의 패러다임을 바꿀 수 있어 고용량 정보 처리와 양자 정보처리 등 차세대 정보소자에 광범위하게 적용할 수 있다는 평가를 받는다. 이러한 성과를 인정받아 해당 논문은 관련 분야에서 최고 권위를 자랑하는 ‘네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)’에 2018년 8월 게재됐다.

최현용 교수는 “이번에 제시한 상용 가능한 양자 정보처리 소자는 기존의 연구가 가졌던 단점을 극복하고, 밸리-스핀 큐빗이라는 새로운 양자정보 단위의 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라며 “앞으로 양자기술을 직접 적용해 고용량 정보 처리 기술 플랫폼을 구축할 수 있는 후속 연구를 진행하겠다”라고 수상 소감을 밝혔다.