나노기술 및 정책 정보

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최근 칭화대학교 장카일리 교수팀은 나노기계 진동기의 비선형 공진 시각화 및 단일 전자 초퍼 연구의 새로운 발전 상을 발표함. 단일 탄소 나노튜브로 만든 기계식 진동은 나노 스케일의 진동을 단일 전자 터널링과 결합하여 마이크로 스케일 비선형 역학 및 전기 기계 하이브리드 양자 시스템을 연구하기 위한 독특한 플랫폼을 제공함. 기계적 진동에 대한 단일 전자 터널링의 변조에 대한 일련의 발견이 보고되었음. 그러나 기계적 진동이 단일 전자 전송 및 전송이 어떻게 변조될 수 있는지는 거의 설명되지 않고 있음.

이 연구에서, 칭화 대학의 장카일리 교수 팀은 양자점 나노 공진기 혼합 시스템을 만들기 위한 단일 탄소 나노 튜브를 조립하기 위해 전자 과학 대학의 덩 광웨이 연구원과 연합하였음. 그 굽힘 진동 모드는 풍부한 비선형을 가지고 있으며, 큰 진폭 조건에서, 기계적 진동은 탄소 나노튜브 양자점 단일 전자 터널링의 변조에 단일 전자 초퍼 효과를 형성했음. 단일 전자 터널의 전류를 측정하면 나노 스케일 비선형 공진을 묘사할 수 있으므로 2자유도 나노 역학 시스템의 다차 비선형 문제에 대한 시각적 솔루션을 제공함.

저자는 이차 및 3차의 비선형성이 두 비선형 모드 간의 서로 다른 튜닝 동작을 결정하지만, 풍부한 모달 내부 커플링과 모달 간 커플링 효과를 초래함: 서브-공진, 결합 주파수 여기뿐만 아니라 분수 주파수 조합 여기 및 상간 진동도 포함되며, 저자의 발견은 퀀텀닷-기계 혼합 공진기 시스템의 다양한 비선형 및 기계-전기 커플링 효과를 보여줌.

공중에 걸쳐진 탄소 나노 튜브는 양자점뿐만 아니라 나노 기계 진동을 형성, 진동 변위는 양자점의 게이트 커패시터를 변경, 따라서 쿨렌(Kuren) 피크는 기계적 진동과 함께 진동.

Kuren 차단 영역에서는 기계적 진동이 없을 때 퀀텀닷을 통해 흐르는 전류가 없고, 기계적 진동이 있을 때 쿨렌 피크가 진동하고 차단 영역을 휩쓸어 과도 터널링 전류가 발생함. 측정된 평균 전류는 Kuren 피크가 페르미표면을 스캔한 시간을 반영하며, 이 시간은 기계적 진동의 시간 영역 정보와 일치하므로 연구팀은 전기 측정을 사용하여 나노 스케일 기계 진동의 이동 과정을 정확하게 결정할 수 있으며, 평균 전류 스펙트럼의 쿨렌 피크의 폭은 진동 진폭 곡선에 해당함. 공진의 시작, 진화 및 종료는 기계적 구동 주파수를 조정하여 직접 시각화할 수 있음.

연구팀은 기계적 공진의 큰 진폭이 단일 전자 터널을 주기적으로 열고 닫을 수 있으며, 특정 조건하에서 단일 전자 초퍼를 형성할 수 있음을 발견함. 즉, 단일 전자 시퀀스의 생성을 제어 할 수 있음. DC 게이트 전압을 통해 기계적 공진을 조정하는 주파수는 시퀀스의 시간 간격을 조정할 수 있음. 탄소 나노튜브 기계 진동기 기반 단일 전자 초퍼는 넓은 작동 주파수 범위(MHz에서 GHz에 이르기까지 조정 가능), 유연성, 소형 및 내구성의 장점을 가지고 있으며 단일 전자 소스, 전하 양자 비트 제어 등에 사용할 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Nano Research’ ("Visualizing nonlinear resonance in nanomechanical systems via single-electron tunneling") 지에 게재됨.