KAIST물리학과 심흥선 교수팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다.

일본전신전화주식회사(NTT) 연구소, 영국국가표준기관(NPL) 연구소와 공동으로 수행하고 KAIST 물리학과 류성근 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Picosecond coherent electron motion in a silicon single-electron source)

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

이러한 문제점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용된다. 10기가헤르츠(GHz) 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 서브 마이크론 길이 내에서 104-105 m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착할 수 없다.

나노 전기소자 내에서 초고속으로 움직이는 전자 측정법.

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

전자 에너지와 공명 상태 에너지가 같을 때만 바깥으로 나올 수 있으므로 공명 상태 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 일본 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.

실리콘 기반 양자점 전자 펌프. 양자점 펌프는 실리콘 나노 도선, 입구 게이트, 출구 게이트로 구성된다. 펌프 내에서 전자가 양자 결맞음 공간 진동을 보이기 되는데, 이를 관측하기 위해, 나노 셔터 (불순물 공명 상태)를 출구 게이트 아래에 구현했다.

양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 양자점 전자 펌프 내에서 전자 파동함수가 공간적으로 진동하고 있음을 관찰했다. 진동수는 무려 250기가헤르츠로 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10 GHz 이상의 진동수의 전자 움직임을 포착한 것은 이번 연구가 처음이다.

심흥선 교수는 “양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다”며 “개발한 나노 셔터는 전자의 양자역학 근본원리를 탐구하는 데에 활용될 뿐 아니라 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에 응용될 것이다”라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.

*용어 설명

  • (resonant state or resonant level)

양자역학인 상태로, 이 상태를 통과하여 전자가 포텐셜 장벽을 통과할 수 있다.

2. 나노 전기소자 (nano-electronic device)

서브 마이크론 길이의 전기소자로, 양자역학 법칙에 따라 작동한다.

3. 양자 결맞음 공간 진동

전자의 양자역학적 중첩(quantum superposition) 상태가 시간에 따라 변하면, 전자의 공간 진동의 형태로 나타날 수 있다. 입자의 파동성을 보여주는 대표적인 현상.

4. 양자점 전자 펌프 (quantum dot single-electron pump)

단일 전자를 주어진 주기로 발사하는 소자. 광학의 광자 펌프에 대응되는 소자이다. 동적 포텐셜 장벽을 이용하여 구현된다. 소자의 작동 에러가 매우 낮아, 전류의 표준을 정하는 데에 활용될 수 있다.

5. 전류 표준(current standards)

전류의 기본 단위 암페어의 국제 표준.

6. 큐빗(qubit. quantum bit)

양자 컴퓨터의 기본 단위. 양자역학 파동함수의 중첩 상태로 표현된다.

7. 초정밀 전자기장 센서

나노 셔터를 활용하면, 전자의 파동성을 이용한 센서가 구현 가능하다. 전자의 초고속 움직임은 주변의 전자기장에 의해 영향을 받는다. 이 영향을 나노 셔터로 포착, 전자기장에 대한 정보를 얻는다.