작성일 : 19-11-08 20:57
KAIST 심흥선 물리학과 교수팀과 국제 연구팀, 양자점 전자 펌프에 나노 셔터 부착, 나노 셔터로 1조분의 1초 전자 움직임 포착
 글쓴이 : happy
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국내외 연구팀이 빠르게 움직이는 전자를 포착하는 데 성공했다.

KAIST(총장 신성철)심흥선 물리학과 교수팀나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다고 5일 밝혔다.

움직이는 물체를 관찰하려면 카메라로 연속촬영을 하면 된다. 그러나 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 이동을 포착할 수는 없다. 이러한 문제점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용된다. 

10GHz보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능하다.
전자를 발사하는 10⁻⁶m 미만 크기의 전자 펌프에서 10⁴-10⁵m/sec의 속력으로 움직이는 전자를 포착할 수 없다.

연구팀은 '나노 셔터'나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 나노 셔터는 공명 상태를 갖는 불순물이다. 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오면서 전류 신호로 관측된다.

공명 상태 에너지를 시간에 따라 변화시키면 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있다. 나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻게 돼 전자의 움직임을 확인할 수 있다.

연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본전신전화주식회사(NTT) 연구소는 영국의 국가표준기관인 NPL과 협력해 나노 셔터를 구현했다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 '양자점 전자 펌프'다. 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사한다. 

연구팀은 양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 펌프 내에서 전자 파동함수가 진동하고 있음을 관찰했다. 진동수는 250GHz 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10GHz 이상 진동수를 갖는 전자를 포착한 것은 이번이 처음이다.

심흥선 교수 "양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다"며 "개발한 나노 셔터는 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에 응용될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다.

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. <그림=KAIST 제공 >