물질이 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기로 줄어들었을 때 나타나는 양자역학은 실생활에서 그 성질을 느끼기 힘든 연구 분야다. 인간의 직관으로 설명할 수 없는 다양한 현상을 설명할 수 있는 최신 물리학이지만 여전히 밝혀지지 않은 분야가 많다. 하지만 초전도체나 양자컴퓨터처럼 인류의 생활을 한 번에 바꿀 수 있는 잠재력을 지닌 연구 분야기도 하다.

물리학과 이길호 교수가 이끄는 양자나노소자연구실은 양자역학을 실생활에 더 가까이 가져다 놓는 실험물리 연구를 진행하고 있다. 탄소 원자가 육각형으로 2차원 구조를 이루는 물질인 그래핀에 초전도체를 합쳐 나타나는 양자역학적 성질을 이용해 전자소자를 만드는 연구가 대표적이다.

연구실은 지난해 9월 그래핀 조셉슨 접합을 이용해 마이크로파 세기를 이론적 한계인 1초 측정기준 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 검출하는 초고감도 검출기를 개발해 국제학술지 ‘네이처’에 게재했다. 전자레인지부터 5세대(5G) 이동통신 주파수 등 실생활 곳곳에 쓰이는 마이크로파는 최근 양자컴퓨터 등 양자정보기술에도 활용 가능성이 열리고 있다. 연구팀이 개발한 기술이 소자화된다면 양자컴퓨터 측정방식을 바꿔 양자컴퓨터 개발 분야의 판도를 뒤엎을 것이란 기대다.

수학에서 주로 다루던 위상의 개념이 양자역학으로 확장된 위상양자역학 연구도 진행중이다. 위상학은 연결성이나 연속성과 같은 기하학 성질을 다룬 수학 분야다. 위상물질로 제작한 소자는 양자역학적 특성을 보여 양자역학의 이론을 넓힐 뿐 아니라 응용에도 활용되는 분야로 기대받고 있다. 연구실은 지난해 7월 초전도 소자로 고차원 위상물질 존재를 실험으로 검증해 ‘네이처 머티리얼스’에 발표하면서 위상초전도 현상을 확인할 수 있는 길을 열었다.

양자역학은 양자컴퓨터와 같은 혁신적 기술로 과학기술의 차세대 대표 연구로 꼽히며 구글과 인텔 등 다양한 기업이 너도나도 뛰어들고 있다. 양자나노소자연구실은 그 중에서도 새로운 형태의 양자역학 연구를 추구하고 있다. 양자역학을 자유자재로 갖고 노는 양자소자 연구를 통해 기초물리 영역에 있던 양자역학을 응용연구 영역으로 끌어내는 가교역할을 하겠다는 목표다.