초전도 양자 간섭 장치 (SQUID)

초전도체 내부에서는 전기 저항이 완전히 사라지지만, 두 초전도체 사이에 얇은 절연층이나 약한 연결부를 두면 독특한 현상이 발생한다. 이 현상은 조셉슨 효과라고 불리며, 조셉슨 접합을 통해 구현된다. 조셉슨 접합은 일반적으로 두 초전도체 전극 사이에 수 나노미터(nm) 두께의 절연체(예: 알루미늄 산화물)를 끼워 넣어 만든다.

이 접합에서는 초전도 전류가 절연층을 터널 효과를 통해 통과할 수 있다. 이때 흐르는 전류는 두 초전도체의 초전도 파동 함수 사이의 위상차에 의해 결정된다. 위상차가 없을 때는 전류가 흐르지 않지만, 위상차가 생기면 절연층을 가로질러 전류가 흐르기 시작한다. 이 전류는 특정 임계값(조셉슨 임계 전류)을 넘지 않는 한 전압 강하 없이 흐를 수 있다. 이는 초전도 터널 효과의 핵심이다.

조셉슨 접합의 또 다른 중요한 특성은 인가된 전압에 따라 위상차가 시간에 따라 선형적으로 변화한다는 점이다. 이는 교류 조셉슨 효과를 일으키며, 접합에 일정한 전압 V를 가하면 위상 진동이 발생하고 그 주파수는 V/Φ₀에 비례한다[1]. 이 관계는 매우 정확하여 전압 표준의 정의에 사용되기도 한다. SQUID는 이러한 조셉슨 접합의 위상과 외부 자기장의 민감한 상호작용을 이용하여 극미한 자기 신호를 측정한다.

초전도체 루프에 조셉슨 접합이 포함되어 있을 때, 루프를 가로지르는 총 자속은 특정한 최소 단위의 정수배로만 존재할 수 있다. 이 최소 단위를 자속 양자라고 하며, 그 값은 약 2.07×10⁻¹⁵ Wb(웨버)이다[2]. 이 현상을 자속 양자화라고 한다.

루프를 통과하는 외부 자속이 변화하면, 초전도 전류가 유도되어 이 자속 양자화 조건을 유지하려고 한다. 이때 각 조셉슨 접합을 흐르는 초전도 파동 함수의 위상 차이도 함께 조정된다. 두 접합을 통한 위상 변화의 합은 루프에 갇힌 총 자속에 정비례한다. 결과적으로, 루프의 총 초전도 전류는 외부 자속에 대해 주기가 한 자속 양자인 간섭 패턴을 보인다. 이는 광학의 이중 슬릿 실험에서 나타나는 빛의 간섭 무늬와 유사한 원리이다.

이 간섭 현상은 SQUID의 핵심 작동 메커니즘이다. 외부 자속이 미세하게 변하면, 루프를 흐르는 총 전류나 접합 양단의 전압이 민감하게 변화한다. 이 변화를 측정함으로써, 자속 양자의 일부에 해당하는 극미한 자속 변화도 검출할 수 있다. SQUID의 감도는 기본적으로 이 양자 간섭 현상의 예리함에 의해 결정된다.

dc-SQUID는 두 개의 조셉슨 접합이 초전도 루프에 병렬로 연결된 구조를 가진다. 이 장치는 일정한 바이어스 전류를 인가하여 동작시키기 때문에 '직류(dc)'라는 명칭이 붙었다. 인가된 바이어스 전류는 두 개의 조셉슨 접합을 통해 나누어 흐르며, 루프를 통과하는 외부 자속의 변화에 따라 두 접합을 통과하는 전류의 위상차가 변한다. 이 위상차는 루프를 흐르는 총 전류, 즉 조셉슨 전류의 간섭 패턴을 결정한다.

결과적으로, 루프 양단에 나타나는 전압은 외부 자속의 주기적 함수가 된다. 전압-자속 특성은 자속 양자 하나, 즉 자속 양자 Φ0에 해당하는 주기로 변조된 코사인 파 형태를 보인다. 이는 양자 간섭 현상의 직접적인 결과이다. 따라서 외부에서 가해지는 미세한 자속 변화를, 루프 양단의 전압 변화로 매우 민감하게 측정할 수 있다.

dc-SQUID의 주요 성능 지표는 자속 감도이다. 이상적인 dc-SQUID의 전압-자속 변조 진폭은 조셉슨 접합의 임계 전류에 비례한다. 실제 감도는 장치의 열 잡음과 전자 회로의 잡음에 의해 제한된다. 현대의 고성능 dc-SQUID는 초전도 양자 간섭 장치 중에서도 가장 높은 자속 감도를 가지며, 10^-6 Φ0/√Hz 수준에 이른다[3].

이러한 높은 감도와 넓은 대역폭 특성으로 인해 dc-SQUID는 생체자기 측정이나 양자 컴퓨팅의 큐비트 상태 판독과 같이 빠르고 미세한 신호 측정이 필요한 분야에서 표준적인 센서로 널리 사용된다.

rf-SQUID는 하나의 조셉슨 접합을 포함하는 초전도 루프로 구성된다. 이 장치는 교류(rf) 전류를 사용하여 동작하며, 루프에 걸린 외부 자속의 변화를 루프의 유효 인덕턴스 변화로 감지한다. rf-SQUID는 일반적으로 고주파(보통 수십에서 수백 MHz) 공진 회로에 유도적으로 결합되어 작동한다[4].

루프를 관통하는 외부 자속이 변하면, 초전도 루프 내부의 총 자속은 자속 양자화 조건을 만족시키기 위해 조셉슨 접합을 통한 초전도 전류로 보상한다. 이 보상 전류는 루프의 유효 인덕턴스를 변화시키고, 이는 결국 결합된 탱크 회로의 공진 주파수나 임피던스를 변경한다. 따라서, 탱크 회로에 인가된 고주파 전압의 진폭이나 위상 변화를 측정함으로써 미세한 자속 변화를 검출할 수 있다.

dc-SQUID와 비교했을 때, rf-SQUID의 구조와 구동 전자회로가 상대적으로 단순한 편이다. 그러나 일반적으로 자속 감도는 dc-SQUID보다 낮은 경우가 많다. 역사적으로 rf-SQUID는 상용화 초기에 널리 사용되었으나, 높은 감도와 우수한 잡음 특성을 가진 dc-SQUID 기술이 발전하면서 그 응용 분야는 다소 축소되었다.

현대에는 고온 초전도체를 이용한 rf-SQUID나, 특정 양자 정보 처리 실험에서 단일 플럭스 큐비트(flux qubit)의 구성 요소로 활용되는 등 특수한 목적을 위해 연구 및 개발이 계속되고 있다.

초전도 양자 간섭 장치의 제작은 주로 박막 공정 기술에 기반한다. 이는 기판 위에 얇은 초전도체 층을 형성하고 미세한 패턴으로 가공하여 회로를 만드는 과정이다. 일반적으로 실리콘 웨이퍼나 사파이어 기판이 사용되며, 니오븀과 같은 저온 초전도체나 YBCO와 같은 고온 초전도체 박막이 증착된다. 증착 방법으로는 스퍼터링이나 펄스 레이저 증착(PLD)이 널리 쓰인다. 특히 고온 초전도체의 경우 결정 구조의 정렬이 중요하여 에피택셜 성장 기술이 요구된다.

박막 증착 후에는 포토리소그래피와 식각 공정을 통해 미세 패턴을 형성한다. 이 과정에서 조셉슨 접합을 정밀하게 제작하는 것이 핵심이다. 접합은 보통 두 초전도체 영역을 매우 얇은 절연층(예: 알루미늄 산화물)으로 분리하는 방식으로 만들어진다. 패터닝의 정밀도는 장치의 성능, 특히 자속 감도와 잡음 특성에 직접적인 영향을 미친다.

이러한 미세 가공 기술의 발전으로 나노미터 규모의 소자를 구현할 수 있게 되었으며, 이는 양자 비트나 복잡한 초전도 회로 제작의 기반이 된다. 공정의 재현성과 수율 향상은 상용화를 위한 중요한 과제로 남아있다.

초전도 양자 간섭 장치의 제작에는 특정한 초전도 재료가 사용되며, 이 재료의 선택은 장치의 작동 온도와 응용 분야를 결정하는 핵심 요소이다. 주로 사용되는 재료는 저온 초전도체인 니오븀(Nb)과 고온 초전도체인 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)이다.

니오븀은 액체 헬륨 온도(약 4.2K)에서 작동하는 전통적인 저온 초전도체이다. 니오븀의 초전도 전이 온도는 약 9.2K로, 안정적인 초전도 특성과 우수한 박막 제작 기술이 확립되어 있다. 니오븀을 기반으로 한 dc-SQUID와 rf-SQUID는 매우 높은 자속 감도를 달성할 수 있어, 생체자기 측정이나 기초 과학 연구와 같은 고감도 응용 분야에서 널리 사용된다. 니오븀 박막을 패터닝하여 정교한 조셉슨 접합을 형성하는 기술은 매우 성숙한 상태이다.

한편, YBCO와 같은 고온 초전도체는 액체 질소 온도(약 77K)에서 작동할 수 있어 냉각 비용과 시스템 복잡성을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 이는 지구물리 탐사나 현장 측정과 같은 응용에 유리하다. 그러나 YBCO는 결정 구조가 복잡하고, 니오븀에 비해 균일한 박막 제작과 조셉슨 접합 형성이 어려워 성능과 재현성 측면에서 여전히 과제를 안고 있다. 그 외에도 니오븀 질화물(NbN)이나 마그네슘 디보라이드(MgB₂)와 같은 다른 초전도 재료들도 특정 응용을 위해 연구되고 있다. 재료 선택은 궁극적으로 요구되는 감도, 작동 환경, 비용, 그리고 제작 기술의 현실을 고려하여 이루어진다.

초전도 양자 간섭 장치는 극미세 생체자기장을 측정하는 데 가장 민감한 센서로 활용된다. 인체의 뇌, 심장, 근육 등에서 발생하는 전기 생리 활동은 미약한 자기장을 생성하는데, 이는 지구 자기장의 수십억 분의 일 수준에 불과하다. SQUID는 이러한 신호를 외부 잡음으로부터 차폐된 환경에서 비접촉식으로 측정할 수 있어, 뇌 자기도(MEG)와 심장 자기도(MCG) 같은 고성능 의료 영상 기기의 핵심 요소가 된다.

뇌 자기도 측정에서는 보통 수백 개의 채널로 구성된 SQUID 센서 어레이가 헬멧 형태로 제작되어 두피 부근에 배치된다. 이 시스템은 뇌 피질에서 발생하는 신경 세포 집단의 전류 활동이 만들어내는 자기장의 공간적 분포와 시간적 변화를 밀리초 단위로 추적한다. 이를 통해 뇌의 기능적 활동을 높은 시간 해상도로 영상화할 수 있으며, 간질 진단, 뇌종양 수술 전 계획, 인지 기능 연구 등에 활용된다. 심장 자기도는 심장의 전기 생리 활동, 특히 심방과 심실의 탈분극 및 재분극 과정에서 발생하는 자기장을 측정한다. 이는 부정맥의 기전 연구나 심근 경색의 초기 진단에 유용한 정보를 제공한다.

생체자기 측정 시스템의 성능은 SQUID 센서의 자속 감도뿐만 아니라, 초전도 차폐 및 자기 차폐실을 이용한 극저잡음 환경 구축 기술에 크게 의존한다. 또한, 다채널 데이터의 신호 처리 및 소스 모델링 알고리즘도 정확한 영상 재구성을 위해 필수적이다. 최근에는 고온 초전도체를 이용한 SQUID 개발로 냉각 비용 절감을 꾀하거나, 광학 원자 증기 셀을 이용한 새로운 방식의 생체자기 측정 기술도 연구되고 있지만, 현재까지는 저온 초전도체 기반 SQUID가 가장 높은 감도와 안정성을 보여주고 있다.

초전도 양자 간섭 장치(SQUID)는 극미세 지자기 변화를 측정하는 데 활용되어 지구물리학 분야에서 강력한 탐사 도구로 사용된다. SQUID 기반 자력계는 전통적인 탐사 방법보다 훨씬 높은 감도와 공간 해상도를 제공하여 지하 구조와 자원을 비파괴적으로 조사하는 데 기여한다.

주요 응용 분야로는 광물 탐사, 지열 에너지 자원 탐사, 화산 활동 모니터링, 고고학적 유적지 조사 등이 포함된다. 예를 들어, 지하에 매장된 광석체는 주변 암석과는 다른 자화율을 가지므로, SQUID로 지표의 미세한 자기장 이상을 측정하면 그 위치와 크기를 추정할 수 있다. 또한, 단층대 연구나 지하수 흐름 분석에도 활용된다.

SQUID를 이용한 지구물리 탐사는 공중 탐사와 지상 탐사 방식으로 나뉜다. 공중 탐사의 경우, 헬리콥터나 항공기에 장비를 탑재하여 넓은 지역을 신속하게 조사할 수 있다. 지상 탐사는 특정 지점에 고정 설치하거나 이동식으로 운반하여 보다 상세한 데이터를 수집한다. 이러한 기술은 기존의 유도 코일 자력계보다 낮은 주파수 대역의 신호까지 측정할 수 있어 탐사 깊이를 증가시키는 장점이 있다.

이러한 탐사 활동의 성공은 높은 자속 감도를 유지하면서도 이동 및 외부 환경에 강인한 SQUID 시스템의 개발에 달려있다. 특히, 고온 초전도체 재료를 이용한 SQUID는 액체 헬륨 없이 운용 가능성을 열어 현장 적용성을 크게 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다.

초전도 양자 간섭 장치는 초전도 회로를 기반으로 한 큐비트의 상태를 읽어내는 고감도 측정 장치로 활용된다. 특히 초전도 큐비트는 전류와 전압, 또는 자속과 전하와 같은 물리량을 양자 상태의 기저로 사용하는데, SQUID는 이러한 상태에 민감한 자속 신호를 검출함으로써 큐비트의 상태(예: |0〉 또는 |1〉)를 판별한다. 이는 양자 컴퓨터에서 계산 결과를 읽어내는 데 필수적인 과정이다.

양자 정보 처리 분야에서는 SQUID가 단순한 측정 장치를 넘어서서 양자 논리 게이트의 구성 요소로도 연구된다. 조셉슨 접합을 포함한 초전도 회로는 비선형 소자로 작동하여 큐비트 간의 상호 작용을 조절할 수 있으며, SQUID 구조는 이러한 상호 작용의 세기를 제어하는 매개체 역할을 할 수 있다. 이를 통해 두 개 이상의 큐비트 상태가 얽히는 양자 얽힘 현상을 구현하고 제어하는 데 기여한다.

SQUID 기반 양자 정보 처리 시스템의 주요 구성 요소와 역할은 다음과 같다.

현재의 기술적 과제는 측정 과정에서 발생하는 측정 뒤섞임을 최소화하고, 시스템의 확장성을 높이는 것이다. SQUID의 높은 감도는 양자 상태를 빠르고 정확하게 읽을 수 있게 하지만, 동시에 큐비트에 원치 않는 간섭을 일으켜 양자 정보를 손상시킬 수도 있다. 따라서 측정 속도, 정확도, 그리고 큐비트에 미치는 영향 사이의 최적화가 지속적으로 연구되고 있다.

초전도 양자 간섭 장치는 극미세한 자기 신호를 검출할 수 있는 능력으로 기초 과학 연구 분야에서 필수적인 탐사 도구 역할을 한다. 특히, 양자역학의 근본적인 현상을 실험적으로 검증하거나, 새로운 물질의 물성을 규명하는 데 널리 활용된다.

예를 들어, 초전도 현상의 메커니즘을 연구하거나 강상관 전자계 물질에서 나타나는 복잡한 양자 상태를 탐구하는 데 SQUID가 사용된다. 매우 낮은 온도에서 물질의 자화율이나 특정 열용량을 극도로 정밀하게 측정함으로써, 물질 내부의 전자 상호작용이나 위상 전이에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 양자 홀 효과나 스핀 트로닉스와 같은 분야에서 미세한 전류나 자기 모멘트의 변화를 관측하는 데 결정적인 역할을 한다.

아래 표는 SQUID가 활용되는 주요 기초 과학 연구 분야의 예시를 보여준다.

이러한 연구를 통해 얻은 데이터는 이론 물리학 모델을 검증하거나 새로운 물리 법칙을 발견하는 토대를 마련한다. 따라서 SQUID는 현대 실험 물리학의 감도 한계를 끌어올리고, 인간의 인식 범위를 양자 세계의 더 깊은 수준으로 확장시키는 핵심 장비로 자리 잡았다.

자속 감도는 초전도 양자 간섭 장치가 검출할 수 있는 가장 작은 자속 변화를 나타내는 핵심 성능 지표이다. 일반적으로 단위 자속(Φ₀)에 대한 잡음의 제곱평균제곱근 값으로 정의되며, 단위는 Φ₀/√Hz이다. 이 값이 낮을수록 더 미세한 자기 신호를 측정할 수 있다.

감도는 장치의 설계, 사용된 재료, 작동 온도, 그리고 전기 회로의 잡음 특성에 크게 의존한다. 예를 들어, dc-SQUID는 일반적으로 rf-SQUID보다 더 높은 감도를 보인다. 또한 니오븀으로 제작된 저온 SQUID와 YBCO로 제작된 고온 SQUID 사이에도 감도 차이가 존재한다.

이러한 높은 감도 덕분에 SQUID는 생체자기 측정과 같은 극미세 자기장 측정이 필요한 분야에서 필수적인 장비로 사용된다. 감도를 더욱 향상시키기 위해 초전도 변조기를 결합하거나, 여러 개의 SQUID를 배열하여 신호를 평균하는 등의 기술이 개발되었다.

초전도 양자 간섭 장치의 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나는 잡음 특성이다. SQUID의 잡음은 크게 장치 자체에서 발생하는 내부 잡음과 외부 환경으로부터 유입되는 외부 잡음으로 구분된다. 내부 잡음의 주요 원인은 조셉슨 접합의 열잡음과 초전도 루프의 자속 양자 요동이다. 이는 장치의 작동 온도와 직접적으로 연관되어 있으며, 온도를 낮출수록 감소한다. 또한, 판독 전자회로에서 발생하는 잡음도 중요한 내부 잡음원으로 작용한다.

외부 잡음은 주변 환경의 변동 자기장에 기인한다. 이는 지구 자기장의 미세한 변동, 전력선에서 발생하는 60Hz(또는 50Hz)의 교류 자기장, 그리고 근처의 이동하는 금속 물체나 전기 장비에 의해 유발된다. 이러한 외부 자기장 간섭은 측정하려는 신호를 압도할 수 있으므로, 마이어 실드나 그래디오미터 구성과 같은 자기장 차폐 및 상쇄 기술이 필수적으로 적용된다.

SQUID의 잡음 수준은 일반적으로 자속 잡음 스펙트럼 밀도(단위: Φ₀/√Hz)로 표현되며, 이는 주파수에 따라 변한다. 저주파수 영역(1/f 잡음)에서는 주로 조셉슨 접합의 결함이나 자속 트랩에 의한 잡음이 지배적이다. 고주파수 영역(화이트 잡음)에서는 열잡음이 주요 원인이 된다. 최신 고성능 SQUID는 극저온에서 1 μΦ₀/√Hz 이하의 매우 낮은 자속 잡음 수준을 달성한다.

초전도 양자 간섭 장치는 초전도 현상을 기반으로 작동하기 때문에, 구성 재료의 초전도 전이 온도 이하로 냉각되어야 합니다. 대부분의 상용 SQUID는 니오븀이나 납과 같은 전통적인 초전도체로 만들어지며, 이들의 전이 온도는 절대온도 몇 켈빈(K) 수준에 불과합니다. 따라서 액체 헬륨(약 4.2 K)을 사용한 냉각이 일반적으로 필요합니다. 이는 장치의 운영에 상당한 비용과 복잡성을 더하는 주요 요소입니다.

고온 초전도체인 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)과 같은 재료를 사용하면 액체 질소(약 77 K) 온도 영역에서 작동이 가능해집니다. 이는 냉각 비용과 유지보수 부담을 크게 줄여줍니다. 그러나 고온 초전도체 SQUID는 제작 공정이 더 까다롭고, 저온 초전도체에 비해 1/f 잡음이 크거나 성능이 낮은 경우가 많아, 응용 분야가 제한될 수 있습니다.

냉각 요구 조건은 SQUID의 휴대성과 현장 적용 가능성을 결정하는 핵심 변수입니다. 액체 헬륨을 사용하지 않고 폐쇄형 펄스관 냉각기를 이용하는 등의 방식으로 시스템을 소형화하려는 연구가 지속되고 있습니다. 이러한 냉각 시스템의 발전은 SQUID가 실험실을 벗어나 의료 현장이나 야외 탐사 등에서 보다 광범위하게 활용되는 데 필수적입니다.

환경 자기장 간섭은 초전도 양자 간섭 장치의 실용적 활용에서 가장 큰 도전 과제 중 하나이다. 지구의 정상 지자기장(약 50 μT)은 일반적인 SQUID가 측정하려는 신호(예: 생체자기 신호는 수 fT에서 수 pT 수준)보다 수억 배에서 수조 배에 달할 정도로 강력하다. 또한, 전력선, 전기 기기, 이동하는 금속 물체 등에서 발생하는 변동 자기장은 측정을 더욱 어렵게 만든다.

이러한 간섭을 극복하기 위해 다층적인 차폐 기술이 필수적으로 적용된다. 가장 효과적인 방법은 고투자율 합금(퍼멀로이)과 초전도체로 구성된 다층 차폐실을 구축하는 것이다. 퍼멀로이는 저주파수 자기장을 흡수하고, 초전도 차폐층은 완전한 다이아마그네틱 특성으로 고주파수 성분을 차단한다. 또한, 신호 처리 측면에서는 차동 측정 기법이 널리 사용된다. 두 개의 SQUID 센서를 서로 반대 방향으로 연결하거나, 그래디오미터(자기장 기울기계) 형태로 배열하여 공통 모드의 환경 잡음을 상쇄시키고, 국소적인 신호만을 증폭하여 검출한다.

그러나 이러한 차폐와 보상 기술은 시스템의 복잡성, 크기 및 비용을 크게 증가시킨다. 특히 MEG나 현장 지구물리 탐사와 같은 응용에서는 완벽한 차폐실 구축이 불가능하거나 비실용적일 수 있다. 따라서 소형화되고 이동성이 뛰어난 고성능 자기장 그래디오미터와 고급 디지털 신호 처리 알고리즘의 개발이 지속적인 연구 주제로 남아 있다.