Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

전기라는 세계에서 대부분의 물질은 사람들이 벽이나 서로에게 부딪히며 진행을 늦추는 붐비는 복도처럼 작동합니다. 이것이 일반적인 금속이 전류를 전도하는 방식입니다: 혼란스럽고 확산적인 흐름 말입니다. 그러나 초전도체는 다릅니다. 이 특별한 물질들에서 전자들은 쌍을 이루어 완벽한 조화를 이루며 이동하며, 이 상태는 저항 없이 전기를 운반할 수 있게 해줍니다. 두 초전도체가 얇은 일반 금속 장벽에 의해 분리될 때, 놀라운 현상이 발생합니다. 초전류가 간극을 가로질러 '터널링'하며 양쪽을 하나로 연결하는 것입니다. 이를 조셉슨 효과(Josephson effect)라고 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 단순한 쌍을 대상으로 이 효과를 연구해 왔지만, 이제 새로운 지평이 열렸습니다. 연구자들은 이제 단 두 개가 아니라, 여러 개의 초전도 리드를 하나의 공유된 금속 조각에 연결했을 때 어떤 일이 일설어나는지 묻고 있습니다. 이 복잡한 배열 속에서, 임의의 두 지점 사이의 전류 거동는 전체 네트워크에 의존하며, 이는 전체가 부분의 합보다 커지는 시스템을 만들어냅니다.

한 물리학자 팀은 이제 단일 금 결정(single crystal of gold)을 사용하여 이 복잡한 아이디어를 현실로 구현했습니다. 그들은 80나노미터 두께의 아주 작고 고순도인 금 박편이 8개의 별도 알루미늄 전극 사이의 가교 역할을 하는 평면형 소자를 제작했습니다. 이 금 결정은 완벽한 단일 물질이기 때문에 전자가 충돌 없이 매우 자유롭게 이동할 수 있다는 점에서 특별합니다. 이는 전자가 군중 속을 헤매는 대신 빛처럼 거의 자유롭게 이동하는 상태인 '준탄도성(quasi-ballistic)' 영역으로 알려져 있습니다. 연구진은 금 위에 알루미늄 리드를 증착하여 격자 형태의 연결 구조를 만들었습니다. 그런 다음 온도와 자기장을 변화시키며 이들 리드 사이의 서로 다른 쌍 사이로 얼마나 많은 초전류가 흐를 수 있는지 측정했습니다.

결과는 놀라웠으며 더 단순한 시스템을 지배하는 표준 규칙들을 거부했습니다. 전형적인 설정에서는 리드 사이의 거리가 멀어짐에 따라 간극을 가로지르는 초전류의 능력이 꾸준하고 예측 가능하게 감소합니다. 하지만 여기서 연구진은 그러한 단순한 패턴을 발견하지 못했습니다. 그들은 94나노미터에서 1마이크론 이상에 이르는 다양한 길이를 가진 네 개의 서로 다른 접합을 측정했습니다. 거리에 따라 전류가 사라지는 대신, 중간에 위치한 접합들이 양 끝에 있는 것들보다 더 강한 전류를 운반했습니다. 거리가 더 멂에도 불구하고 중간의 연결이 더 강하다는 이러한 비단조적(non-monotonic) 거동은, 접합들이 독립적으로 작동하고 있지 않음을 입증했습니다. 특정 두 전극 사이에 흐르는 초전류는 다른 모든 전극의 존재와 위상(phase)에 의해 영향을 받고 있었습니다. 금 결정 전체가 하나의 통합된 양자 객체로서 작동하며, 모든 리드를 다른 모든 리드와 동시에 연결하고 있었던 것입니다.

이것이 단순한 실수나 제조 오류가 아님을 확인하기 위해, 팀은 결정적인 대조 실험을 수행했습니다. 그들은 전자가 혼란스럽고 확산적인 방식으로 이동하는 일반적인 무질서한 금을 사용하여 동일한 소자를 제작했습니다. 그 표준 샘플들에서는 예상했던 대로 전류가 작동했습니다: 즉, 가장 짧은 접합에서 전류가 강했고, 더 긴 접합에서는 완전히 사라졌습니다. 이러한 극명한 대조는 이 기이하고 상호 연결된 거동이 고품질의 준탄도성 금 결정이 가진 고유한 특성임을 확인시켜 주었습니다. 연구진 또한 그들이 목격한 현상을 설명하기 위해 새로운 이론적 모델을 개발했습니다. 얇은 금 결정의 표면에서 발생하는 전자의 복잡한 반사를 고려한 그들의 계산은 숨겨진 변수를 조정할 필요 없이 실험 데이터와 완벽하게 일치했습니다.

팀은 장치에 다양한 조합으로 전류를 흘려보내며 이 다중 단자(multi-terminal) 거동을 더욱 깊이 탐구했습니다. 그들은 한 접합의 저항이 완전히 다른 한 쌍의 리드를 통해 흐르는 전류에 따라 변한다는 것을 발견했습니다. 만약 이 시스템이 단순히 세 개의 별개 연결로 이루어진 사슬이라면, 그 거동은 예측 가능하고 선형적이었을 것입니다. 대신, 측정 결과는 전체 시스템의 상태가 전기 흐름을 결정하는 복잡한 상호작용의 웹을 보여주었습니다. 마지막으로, 그들은 자기장으로 이 장치를 테스트했습니다. 단순한 접합에서는 보통 전류가 해당 특정 간극의 크기와 관련된 패턴으로 진동합니다. 이 금 결정에서는, 전류의 진동이 두 개 사이의 작은 간극이 아니라 모든 리드가 공유하는 훨씬 더 큰 면적에 대응했습니다. 이는 자기장이 단순히 두 지점 사이의 간극만이 아니라 전체 네트워크를 감지하고 있다는 결정적인 증거를 제공했습니다.

이 연구는 다중 단자 시스템에서 초전도 현상이 어떻게 작동하는지를 연구하기 위한 새로운 플랫폼을 구축합니다. 깨끗한 단일 금 결정을 사용함으로써, 연구진은 여러 초전도 리드의 양자 위상을 함께 조절하고 연구할 수 있는 실험실을 만들어냈습니다. 이 설정은 인공 위상 물질(artificial topological materials)과 같은 이색적인 물질 상태를 탐구하는 문을 열어줍니다. 이 상태에서는 초전도 위상의 배치가 고차원의 입자 거동을 모방합니다. 이 연구는 전자가 깨끗한 환경에서 자유롭게 움직일 수 있도록 허용될 때, 그들이 얼마나 깊게 상호 연결된 양자 네트워크를 생성할 수 있는지, 그리고 단순한 금속 조각을 모든 부분이 서로 불가분하게 연결된 정교한 회로로 바꿀 수 있는지를 보여줍니다.