KAIST 물리학과 심흥선 교수팀이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초, picosecond, 10-9 초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했습니다. 연구팀은 일본전신전화주식회사(NTT) 연구소, 영국국가표준기관(NPL) 연구소와 공동으로 연구를 수행했습니다. 해당 연구 논문은 <Nature Nanotechnology>에 게재됐습니다.
빠르고 정확하게 포착하는 나노 셔터
사람들은 물체를 관찰하기 위해 카메라를 이용해 움직이는 물체를 연속적으로 촬영합니다. 그러나 이 방법은 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 움직임을 포착할 수는 없습니다. 이러한 한계점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용됩니다. 10GHz 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 건 현재 기술로 불가능합니다. 때문에 기존 기술로는 서브 마이크론 길이 내에서 104-105 m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 포착할 수 없습니다.
연구팀은 '나노 셔터'를 나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했습니다. 여기서 나노 셔터는 공명 상태(resonance state)를 갖는 불순물입니다. 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오게 됩니다. 이를 통해 전류 신호로 관측할 수 있죠.
- 공명 상태 (resonant state or resonant level)?
양자역학인 상태를 말합니다. 이 상태를 통과하면 전자가 포텐셜 장벽을 통과할 수 있습니다.
전자 에너지와 공명 상태 에너지는 에너지 준위가 같을 때만 바깥으로 나오는데요. 따라서 공명 상태 에너지를 시간에 따라 변화시켜 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있습니다. 나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻는게 가능합니다. 과학자들은 이를 통해 나노 전기소자 내의 전자 움직임을 포착할 수 있습니다.
'양자점 전자 펌프'이용해 '나노 셔터' 구현
연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본 NTT 연구소는 영국의 국가표준기관 NPL과 협력을 통해 나노 셔터 구현에 성공했습니다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 '양자점 전자 펌프(quantum dot single-electron pump)'입니다. 양자점 전자 펌프는 단일 전자를 주어진 주기로 발사하는 소자입니다. 광학의 광자 펌프에 대응되는 소자이기도 하죠. 양자점 전자 펌프는 동적 포텐셜 장벽을 이용해 구현됩니다. 또한 소자의 작동 에러가 매우 낮아 전류의 표준을 정하는 데에 활용되기도 하죠.
연구팀은 양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 양자점 전자 펌프 내에서 전자 파동함수가 공간적으로 진동하고 있음을 관찰했습니다. 진동수는 무려 250GHz를 기록했는데요. 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동입니다. 10 GHz 이상의 진동수의 전자 움직임을 포착한 것은 이번 연구가 처음이라고 합니다.
이번 연구를 주도한 심흥선 교수는 "양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다"며 "개발한 나노 셔터는 전자의 양자역학 근본원리를 탐구하는 데에 활용될 수 있다"고 전했습니다. 덧붙여 "뿐만 아니라 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에도 응용될 것"이라고 말했습니다.
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