[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 물리학과 심흥선 교수팀이 나노 전기 소자 내에서 전자 파동 함수의 1조분의 1초(피코초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다.

심 교수 연구팀에 따르면 움직이는 물체를 관찰하기 위해서는 카메라를 이용해 연속 촬영해야 한다. 그러나 이 방법은 셔터의 작동 속도 보다 더 빠른 물체의 움직임을 포착할 수 없다는 한계가 있다.

이런 문제점은 나노 전기 소자도 동일하게 적용 빋는?? 10GHz 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 서브 마이크론 길이 내에서 104-105 m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착할 수 없다.

심 교수 연구팀은 나노 셔터를 나노 전기 소자 옆에 부착해 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 여기서 나노 셔터는 공명 상태(resonance state)를 갖는 불순물로 나노 전기 소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오게 돼 전류 신호로 관측할 수 있다.

전자 에너지와 공명 상태 에너지가 같을 때만 바깥으로 나올 수 있어 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 전기 소자 내의 전자 움직임을 포착할 수 있다.

심 교수 연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본 NTT 연구소는 영국의 국가 표준 기관인 NPL과 협력을 통해 나노 셔터 구현에 성공했다.

실험 연구팀이 이용한 나노 전기 소자는 양자점 전자 펌프(quantum dot single-electron pump)로 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사하는 역할을 하며 전류의 표준을 연구할 때 사용한다.

일본 전신 전화 주식 회사(NTT) 연구소, 영국 국가 표준 기관(NPL) 연구소와 공동으로 수행하고, KAIST 물리학과 류성근 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다.