양자 전자 스위치 내부 초고속 원자 운동 첫 번째 스냅샷

정보를 계산하고 저장하는 전자 회로에는 전류의 흐름을 제어하는 ​​수백만 개의 작은 스위치가 있다. 과학자들은 양자 전자 스위치가 작동할 때 내부에서 움직이는 원자의 첫 번째 스냅샷을 만들었다.

미국 에너지부(DoE) SLAC 국립 가속기 연구소, 스탠포드 대학, 휴렛 팩커드 연구소, 펜실베니아 주립대학 및 퍼듀 대학 등이 참여한 연구 성과는 과학 저널 사이언스(Science)에 16일 발표됐다.

SLAC 과학자 Xijie Wang은 “이 연구는 초고속 기술과 과학의 돌파구다. 연구원들이 작동하는 전자 장치를 관찰하기 위해 샘플에서 강력한 전자 빔을 산란시켜 재료의 작은 원자 움직임을 감지할 수 있는 초고속 전자 회절을 사용한 첫 번째 사례”라고 밝혔다.

이번 실험을 위해 팀은 원형 양자 물질인 바나듐 이산화물로 만든 소형 전자 스위치를 맞춤형으로 설계했다. 이 전자 스위치는 실온 근처에서 절연과 전기 전도성 상태 사이를 오가는 능력을 미래 컴퓨팅 스위치로 활용할 수 있다. 이 물질은 또한 인간의 뇌에서 발생하는 신경 자극을 모방하는 전자 펄스를 생성하는 능력 때문에 뇌에서 영감을 받은 컴퓨팅에도 응용할 수 있다.

연구원들은 전기 펄스를 사용하여 이러한 스위치를 절연과 전도 상태를 전환하는 동시에 수십억 분의 1초에 걸쳐 원자 배열의 미묘한 변화를 보여주는 스냅샷을 촬영했다. SLAC의 초고속 전자 회절 카메라인 MeV-UED로 촬영한 이 스냅샷은 원자 운동의 분자 영화를 만들기 위해 함께 연결됐다.

SLAC의 SIMES(스탠포드 재료 및 에너지 과학 연구소) 연구원 겸 스탠포드 대학 교수 Aaron Lindenberg는 “이 초고속 카메라는 실제로 물질 내부를 들여다보고 날카로운 전기 여기 펄스에 반응하여 원자가 어떻게 움직이는지 스냅샷을 찍을 수 있다. 동시에 그 물질의 전자적 특성이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 측정한다”고 말했다.

이 카메라로 팀은 재료 내에서 새로운 중간 상태를 발견했다. 재료가 절연 상태에서 전도 상태로 전환하여 전기 펄스에 반응할 때 생성된다.

SLAC 과학자 Xiaozhe Shen은 “절연 상태와 전도 상태는 원자 배열이 약간 다르며 일반적으로 하나에서 다른 상태로 이동하는 데 에너지가 필요하다. 그러나 이 중간 상태를 통해 전환이 발생할 때 원자 배열에 대한 변경 없이 전환이 발생할 수 있다”고 설명했다.

중간 상태는 몇 백만 분의 1초 동안만 존재하지만 재료의 결함으로 인해 안정화된다. 이 연구의 후속 조치를 위해 팀은 이 새로운 상태를 보다 안정적이고 오래 지속되도록 하기 위해 재료의 이러한 결함을 엔지니어링하는 방법을 조사하고 있다.

퍼듀대 교수 Shriram Ramanathan는 “이 결과는 수백만 사이클에 걸친 전기 스위칭의 견고함을 보여주고 그러한 장치의 스위칭 속도에 대한 가능한 제한을 식별한다. 이 연구는 장치 작동 중에 발생하는 미시적 현상에 대한 귀중한 데이터를 제공하며, 이는 향후 회로 모델을 설계하는 데 중요하다”고 말했다.

이 연구는 또한 자연 조건에서 존재하지 않는 물질을 합성하는 새로운 방법을 제공하여 과학자들이 초고속 시간 척도에서 물질을 관찰한 다음 잠재적으로 속성을 조정할 수 있도록 한다.

제1 저자이자 SIMES 연구원 Aditya Sood는 “이 방법은 장치가 작동할 때 장치를 관찰하는 새로운 방법을 제공하여 원자가 어떻게 움직이는지 볼 수 있는 창을 열어준다. 전통적으로 구별되는 전기 공학 및 초고속 과학 분야의 아이디어를 결합하는 것은 흥미진진하다. 우리의 접근 방식은 데이터 집약적인 지능형 컴퓨팅에 대한 세계의 증가하는 요구를 충족할 수 있는 차세대 전자 장치의 생성을 가능하게 할 것”이라고 밝혔다.