KAIST '1조분의 1초'로 빠른 전자 움직임 포착 나노셔터 개발

물리학과 심흥선 교수팀…"차세대 양자정보 소자에 응용"

나노 전기소자 내에서 초고속으로 움직이는 전자 측정법(KAIST 제공)© 뉴스1

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 1조분의 1초로 빠른 전자의 움직임을 포착할 수 있는 나노 셔터를 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 물리학과 심흥선 교수팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다고 5일 밝혔다.

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

이러한 문제점은 나노 전기소자도 동일하며, 10기가헤르츠(GHz) 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착할 수 없다.

연구팀은 ‘나노 셔터’를 나노 전기소자 옆에 부착해 이러한 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다.

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.

연구팀은 10 GHz 이상의 진동수 전자 움직임을 최초 포착했다.

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 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology) 온라인판에 지난 4일 게재됐다.
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