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- 상온에서 작동하며 전자 제품에 널리 사용되는 반도체 소재인 탄화규소로 구성
- 소형 ​​마이크로파 소스, 저잡음 증폭기, 고정밀 측정 기술 등 메이저 기술의 새로운 응용

반도체 소재로 만든 최초의 상온 작동 메이저 개발

세계 최초: 물리학자들이 일반적인 반도체 소재로 만든 최초의 마이크로파 레이저를 개발했다. 기존의 메이저와 달리, 이 새로운 시스템은 상온에서 작동하며 전자 제품에 널리 사용되는 반도체 소재인 탄화규소로 구성되어 있다. 이는 소형 ​​마이크로파 소스, 저잡음 증폭기, 고정밀 측정 기술 등 메이저 기술의 새로운 응용 분야를 열어준다. 

▲ 물리학자들이 흔히 사용되는 반도체 재료인 탄화규소로 상온 메이저를 최초로 제작했다. 이는 이러한 결맞음 마이크로파 소스에 완전히 새로운 응용 분야를 열어줄 수 있을 것으로 기대된다. · 사진: © A. Gottscholl, A. Sperlich/ 뷔르츠부르크 대학교

슈퍼마켓 계산대, 센서, 데이터 전송, 칩 제조 등 오늘날 레이저는 필수적인 기술이다. 레이저는 광자 유도 방출을 통해 순수하고 동기적으로 진동하는 빛을 생성한다. 레이저 소재가 광학적 또는 전기적으로 여기되면 연쇄 반응을 통해 광자가 방출된다. 이 광자들은 공진기(일종의 거울실)에 모인 후 제어된 방식으로 결맞음 빔으로 방출된다.

레이저의 마이크로파 버전인 메이저는 동일한 원리로 작동한다. 하지만 메이저는 레이저보다 역사가 오래되었음에도 불구하고, 지금까지는 거의 사용되지 않았다. 문제는 까다로운 작동 조건에 있다. 자유 전자 메이저와 원자 메이저는 진공 상태를 필요로 하고, 고체 메이저는 일반적으로 극저온을 요구한다. 최근에야 연구진들이 최초의 상온 메이저를 개발했는데, 여기에는 펄스형 방사선을 방출하는 유기 메이저와 다이아몬드로 만든 연속형 메이저가 포함된다. 하지만 이러한 메이저조차도 광범위한 응용 분야에는 적합하지 않다.

탄화규소가 메이저 매질이 되는 방법

이제 상황이 바뀔 수 있다. 뷔르츠부르크 대학교의 안드레아스 고트숄 교수가 이끄는 연구팀이 일반적인 반도체로 만든 최초의 상온 메이저를 개발했다. 전자 제품에 이미 널리 사용되는 반도체 소재인 탄화규소(SiC)가 메이저의 활성 매질로 사용된다. 연구팀은 탄화규소 결정 격자에서 개별 실리콘 원자를 제거하여 결함을 만들었다. 연구팀은 "이러한 결함은 메이저를 만들기에 완벽한 조건이다"고 설명했다.

그 이유는 결정 격자 내의 빈자리가 빛이나 전류에 의해 여기될 수 있는 양자 역학적 스핀 상태를 가지고 있기 때문이다. 이는 양자 전이를 유발하여 마이크로파 광자를 방출한다. 외부 자기장이 가해지면 이 효과가 증폭되어 연속적인 간섭성 마이크로파 광자 방출(유도 방출)이 발생한다. 레이저와 유사하게, 이러한 광자들은 공진기에 의해 수집되고 집속된다. 탄화규소 메이저에서 이 공진기는 사파이어 코어를 가진 구리 껍질로 구성된다.

▲ 새로운 반도체 메이저의 구조. — © Gottscholl et al./ Nature Communications, CC-by 4.0

상온에서 작동하며 대량 생산이 가능

"이번 연구는 탄화규소 내 실리콘 빈자리를 기반으로 하는 최초의 연속 반도체 메이저라는 중요한 이정표를 세웠다"고 고트숄(Gottscholl)과 그의 동료들은 밝혔다. 이 메이저가 상온에서 작동하고 매우 흔한 반도체 재료로 만들어졌다는 점에서 중요하다. "탄화규소는 전자 산업에서 널리 사용되고 있으며 웨이퍼 형태로 대량 생산이 가능하다"고 그들은 설명했다. 이러한 특성 덕분에 메이저는 제조가 용이하고 비용도 저렴하다.

초기 실험에서 새로 개발된 반도체 메이저는 우수한 결맞음 마이크로파 방출원일 뿐만 아니라, 저잡음 마이크로파 증폭기 등 다양한 응용 가능성을 보여주었다. "스마트폰, 이동통신 기지국, 컴퓨터, 위성 등은 각각 여러 개의 마이크로파 신호 증폭기를 사용하지만, 지금까지는 메이저 기술 없이 작동해야 했다"고 수석 저자인 안드레아스 스페를리히는 설명했다.

마이크로파 냉장고 또는 자기 센서로도 활용 가능

탄화규소 메이저는 마이크로파 냉장고로도 적합하며, 특히 양자 기술 분야에 활용될 수 있다. "이 시스템은 역방향으로 작동하여 광학적으로 여기된 마이크로파 흡수체 역할을 할 수 있다"고 물리학자들은 설명했다. "이를 통해 마이크로파 온도를 효과적으로 냉각할 수 있다." 실험에서 에너지 손실은 약 40도 정도의 온도 냉각에 해당했다.

또한 이 메이저는 고정밀 자기장 측정 분야에 새로운 가능성을 열어준다. 이 메이저는 방출되는 에너지가 외부 자기장의 세기에 직접적으로 의존하기 때문이다. 고트숄과 그의 연구팀은 "자기장의 아주 작은 변동조차도 주파수나 출력에 큰 변화를 일으키기 때문에 이 메이저는 자력계 측정에 사용할 수 있다"고 보고했다. 그들은 자신들이 개발한 메이저의 측정 하한값을 약 20피코테슬라로 추정했는데, 이는 기존 자력계와 비슷한 정밀도다.

종합적으로 볼 때, 물리학자들은 자신들이 개발한 반도체 메이저가 이러한 결맞음 마이크로파를 널리 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다고 보고 있다. 연구진은 "이 표준을 기반으로 한 메이저는 일상적인 마이크로파 응용 분야에 혁신적인 변화를 가져올 수 있으며, 완전히 새로운 세대의 스핀 결함 메이저 개발을 가능하게 할 것"이라고 밝혔다.
출처: Andreas Gottscholl et al., (Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-75446-2)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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