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나노기술 및 정책 정보

미국 양자 절연체는 전자를 위한 다 차선 고속도로를 제공

페이지 정보

발행기관
Nanowerk
저자
 
종류
R&D
나노기술분류
 
발행일
2020-12-16
조회
2,665

본문

더 넓은 범위의 조건에서 전류가 물질의 가장자리를 따라 흐를 때 에너지가 손실되지 않는 양자 이상 홀 (QAH, Quantum Anomalous Hall) 효과를 보여주는 연구 덕분에 새로운 에너지 효율적인 전자 장치가 가능하게 되었음.

펜실베이니아 주립 대학교(Pennsylvania State University) 연구팀이 다층 절연체에서 QAH 효과를 실험적으로 실현했으며, 본질적으로 에너지 손실없이 정보 전송의 속도와 효율성을 높일 수 있는 전자 수송을 위한 다 차선 고속도로를 생성하였음. 에너지 소비를 줄이는 것은 전자 장치의 핵심이므로 전자 흐름의 효율성을 향상시킬 수 있는 재료에 대한 많은 연구가 있었음. 대부분의 금속에서 전자 수가 증가하면 서로 다른 방향으로 이동하는 전자가 흩어져 서로 밀어내기 때문에 일종의 교통 체증이 발생함. 그러나 QAH 절연체에서는 전자 흐름이 가장자리로 제한되고 한쪽 가장자리의 전자만 이동할 수 있음. 도로를 2 차선 고속도로로 분할하는 것과 같이 전자가 한 방향으로 만 가고, 다른 가장자리에 있는 것은 반대 방향으로 만 갈 수 있음. 이 연구에서 연구팀은 본질적으로 서로 위에 평행한 고속도로를 만들기 위해 겹쳐질 수 있는 QAH 절연체를 제작했음. QAH 절연체는 토폴로지 절연체라고 불리는 재료로 만들어짐. 두께가 수십 개의 원자만 있는 얇은 필름층으로, 자성으로 만들어져 모서리를 따라서만 전류가 흐르게 함. 위상 절연체를 자성으로 만들기 위해 연구원들은 희석된 자기 도핑이라고 하는 과정에서 재료에 자기 불순물을 추가함. 이 연구에서 연구팀은 분자 빔 에피택시라는 기술을 사용하여 다층 토폴로지 절연체를 제작하고 자기 도핑이 발생하는 위치를 신중하게 제어했음.

QAH 절연체는 이론적으로 에너지 손실이 없기 때문에 특히 관심이 있음. 즉, 전류가 가장자리를 따라 흐를 때 전자가 열의 형태로 에너지를 잃지 않음. 이 독특한 특성 덕분에 QAH 절연체는 양자 컴퓨터 및 기타 작고 빠른 전자 장치에 사용하기에 좋은 후보가 됨. 이전 연구에서 QAH 효과는 Chern 번호라는 중요한 값이 1의 값을 갖는 재료에서만 실험적으로 실현되었으며, 본질적으로 전자를 위한 단일 2 차선 고속도로만 있었음. 이 연구에서 연구원들은 자성 및 비자성 토폴로지 절연체를 교대로 층을 쌓아서 최대 5 개의 Chern 수로 QAH 상태를 실현할 수 있었으며, 본질적으로 재료의 각 면에 전자를 위한 5 개의 평행 고속도로를 쌓아 총 10 개의 차선을 구축했음. QAH 절연체와 금속 전극 사이의 연결 지점에서 일부 전류가 소실되는 것을 볼 수 있는데, 이는 열의 형태로 발생함. 마치 혼잡한 고속도로의 진입로와 비탈길로 생각할 수 있음. 좁은 병합 차선이 로컬 교통으로의 속도를 늦추는 것임. 더 많은 평행 고속도로를 건설하면 더 많은 병합 차선이 고속도로를 로컬 교통에 연결할 수 있으므로 최종적으로 전체 교통 시스템의 속도를 크게 향상시킬 수 있음. 연구원들은 QAH 절연층의 두께를 늘리거나 QAH 층의 자기 도핑 농도를 조작함으로써 샘플의 Chern 수를 조정할 수 있다는 것을 발견했음. 즉, 고속도로의 차선 수를 변경할 수 있는 것임. 높은 Chern 수에서도 QAH 절연체는 에지 채널을 따라 소실되지 않았음. 이는 소산없는 에지 전류를 활용하는 장치에 대한 개념 증명을 제공하였음.

이 연구에서 연구원들은 Chern 번호가 다른 별도의 QAH 절연체를 신중하게 제작했음. 미래에 그들은 정보 고속도로에서 전자 트래픽을 "실시간" 제어하기 위해 이미 제작된 샘플의 Chern 수를 조정하는 기술을 개발하기를 희망함. 이 연구에서 이루어진 근본적인 발전을 실제 기술로 변환하는 것은 여전히 어려운 일임. 여기에서 연구된 현상은 절대 영도보다 1/100도 정도 높은 매우 낮은 온도로 제한되기 때문임. 그러나 연구팀은 향후 창의적인 재료 합성을 통해 기술적으로 관련된 조건에서 이러한 효과를 실현하는 데 도움이 될 시나리오를 구상할 수 있을 것으로 기대함.

본 연구 성과는 ‘Nature’ ("Tuning the Chern number in quantum anomalous Hall insulators") 지에 게재됨