신기술 2전자 한 개씩 흘려보내는 원자전선 발견

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신기술 2전자 한 개씩 흘려보내는 원자전선 발견

2015년 11월 1일 (일) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2015년 11월호 - 전체 보기 )

<신기술 2>
전자 한 개씩 흘려보내는 원자전선 발견
전력소비와 발열감소로 집적회로 소형화 조기실현 기대

미래부창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 연구진이 폭 1㎚의 부도체 나노 인듐원자선을 찾아냈다고 미래부가 10월 9일 밝혔다. 미래부에 따르면, 기초과학연구원 원자제어 저차원전자계 연구단 염한웅 단장과 이성훈 연구위원이 찾아낸 이 원자선은 한꺼번에 많은 전자를 흘려보내는 일반 도체전선과 달리 전자를 하나씩 이동시킬 수 있다는 점에서 관련업계의 주목을 받고 있다. 이 원리를 활용해서 단 하나의 전자로 1비트의 정보를 처리하는 단전자 소자를 구현하면, 지금까지 수십 개의 전자가 수행하던 작업을 전자 하나가 대신할 수 있어 전력소비와 발열을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로는 집적회로의 소형화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

염한웅 단장

저온에서 인듐 원자선의 성질 이용
연구진은 실험을 통해 모델에서 보이는 솔리톤 전자상태가 실제로 존재하는지 검증하고, 솔리톤의 성질을 구체적으로 이해하는 작업을 진행했다. 이 실험에서 예측한 전자상태의 존재가 확인됐고, 1차원에서 존재하는 솔리톤 전자상태가 위상부도체에서 존재하는 카이럴 전류와 관련이 있음을 밝히며 카이럴 솔리톤이라는 새로운 개념을 제시했다. 또한, 실리콘 위에 형성된 인듐 원자선이 카이럴 전류의 1차원 대응물인 카이럴 솔리톤을 가진다는 것을 이론으로 예측하고, 주사터널현미경을 이용해 인듐 원자선에 존재하는 솔리톤이 계산에서 예측된 카이럴 솔리톤의 특성을 가지고 있음을 입증했다. 인듐 원자선은 2개의 원자사슬로 모형화 할 수 있는데, 사슬간의 상호작용에 의해 4개의 부도체 상태를 가질 수 있고, 그들 간의 경계에 카이럴 솔리톤을 가지게 된다. 인듐 원자선에 형성되는 카이럴 솔리톤은 전자, 또는 정공 하나를 포함하고 있어 단전자 소자에 응용할 수 있다. 연구진은 저온에서 전류가 흐르지 않는 부도체인 인듐원자선에 전자를 하나씩, 원하는 방향으로 흘려보낼 수 있음을 알아냈다. 전자 하나를 회로의 스위치로 만들 수 있는 실마리를 찾아낸 것이다. 500℃ 이상의 고온에서 실리콘 표면에 인듐을 뿌리면, 인듐원자가 규칙적으로 사슬처럼 엮인 선폭 1㎚이하의 원자전선을 형성하게 되는데, 이는 상온에서는 도체의 성질을 갖지만 영하 150℃이하에서는 부도체의 성질을 갖는다.
각 원자사슬은 서로 다른 네 가지 원자구조(A, B, C, D)의 조합으로 이루어지는데, 이들이 어떤 순서로 배열하느냐에 따라 방향성을 갖게 할 수 있다. 이때, 각 원자사슬 양단 사이에 좁은 경계가 생기며 이를 ‘솔리톤’이라고 하며, 솔리톤에 하나의 전자가 갇히게 된다. 원자사슬을 구성하는 원자들의 순서를 바꿔주면 ‘솔리톤’이 방향성을 갖고 이동함으로써 솔리톤에 갇힌 전자도 이동하게 되는 것이다. 연구진은 이번 연구를 통해 찾아낸 ‘1차원 물질에서 방향성을 가진 솔리톤’을 ‘카이럴 솔리톤’이라고 이름 지었다. 이는 마치 무빙워크가 움직이면서 위에 가만히 서 있는 탑승자를 이동시키는 것과 같다.