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KAIST, 전자 움직임 포착할 수 있는 '나노 셔터' 개발

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등록 2019-11-05 14:31:51
전자 파동함수의 피코초 수준(1조분의 1초) 초고속 진동 관측 이론 제시
국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 연구결과 발표
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【대전=뉴시스】김양수 기자 = 나노 전기소자 내 초고속 움직임을 관찰하는 전자 측정법. 전자가 공명상태를 통해 바깥으로 나오는 특성을 응용, 공명상태를 '나노 셔터'로 활용했으며 공명상태를 통해 나오는 전류를 측정, 나노 전기소자 내 전자 파동함수의 양자 결맞음 공간 진동을 포착할 수 있다.2019.11.05(사진=KAIST 제공) photo@newsis.com
【대전=뉴시스】 김양수 기자 = KAIST는 물리학과 심흥선 교수팀이 나노 전기소자 안에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다고 5일 밝혔다.

일본전신전화주식회사(NTT) 연구소, 영국국가표준기관(NPL) 연구소와 공동으로 수행하고 KAIST 물리학과 류성근 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는, 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인판에 지난 4일자로 게재됐다. 논문명 Picosecond coherent electron motion in a silicon single-electron source 이다.

움직이는 물체를 관찰하기 위해서는 카메라를 이용해 연속적으로 촬영하면 되지만 이 방법은 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 움직임을 포착할 수 없다는 한계가 있다.

나노 전기소자에서도 10기가헤르츠(㎓) 보다 더 빠른 전기신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 서브 마이크론 길이 내에서 104-105m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착하지 못했다.

KAIST 심 교수 연구팀은 ‘나노 셔터’를 나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 나노 셔터는 공명상태(resonance state)를 갖는 불순물로 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명상태를 통해 소자 바깥으로 나오게 돼 전류신호로 관측된다.

전자에너지와 공명상태 에너지가 같을 때만 바깥으로 나올 수 있으므로 공명상태 에너지를 시간에 따라 변화시켜 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있다.

나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻게 돼 나노 전기소자 내의 전자 움직임을 포착할 수 있다.
 
심 교수 연구팀의 이론적 해결책에 따라 NTT 연구소는 영국의 국가표준기관인 NPL과 협력을 통해 나노 셔터 구현에 성공했다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 양자점 전자 펌프(quantum dot single-electron pump)로 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사하는 역할을 하며 전류의 표준을 연구할 때 사용된다.

연구진은 양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명상태를 구현, 양자점 전자 펌프 내에서 전자 파동함수가 공간적으로 진동하고 있다는 것도 관찰했다.

 진동수는 250㎓ 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10㎓ 이상 진동수의 전자 움직임을 포착한 것은 이번 연구가 처음이다.

심흥선 교수는 “양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있다는 것을 증명했”며 “개발된 나노 셔터는 전자의 양자역학 근본원리를 탐구하는 데에 활용될 수 있고 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에도 응용될 것"이라고 기대했다.


kys0505@newsis.com
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