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조용훈, 최형순 교수, 반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈, 최형순 교수 공동 연구팀이 반도체 공진기 구조에서 ‘엑시톤-폴라리톤 응축’이라는 양자물질 상태를 형성 후 새 광학적인 방식으로 양자 소용돌이를 생성하고 제어하는 데 성공했다.
권민식 연구원과 오병용 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 물리학회가 발행하는 물리학 권위지인‘피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters)’ 2월호에 게재됐다.
태풍이 일거나 싱크대에서 물이 빠질 때 유체가 소용돌이를 일으키며 회전하는 것은 우리에게 익숙한 현상이다.
이와 마찬가지로 초유체, 초전도체 같은 양자 유체도 소용돌이를 일으키며 회전할 수 있는데, 이는 파동 함수의 위상(phase)이 소용돌이를 중심으로 원주율의 특정 배수가 되는 조건에서만 가능하다. 이렇게 소용돌이가 불연속적으로 양자화되는 현상을 양자 소용돌이라고 한다.
양자 소용돌이는 양자 유체역학을 연구하는 데 가장 핵심적인 요소 중 하나이다. 초유체의 에너지 손실 없이 회전할 수 있는 특성과 소용돌이의 회전 방향을 쉽게 뒤집을 수 없는 위상학(topology)적 안정성이 결합돼 있어 양자 소용돌이를 쉽게 생성하고 제어할 수 있다면 미래형 정보 소자로도 활용할 수 있다.
이런 면에서 반도체 내부에 존재하는 양자 유체인 엑시톤-플라리톤(이하 폴라리톤)은 특히 유리하다. 반도체에 밴드갭(전도체의 가장 아랫부분의 에너지 준위와 가전자대의 가장 윗부분의 에너지 준위 간의 에너지 차이)보다 높은 에너지를 갖는 빛을 쬐면 전자-전공 쌍이 형성되고 서로 강하게 이끌리며 엑시톤을 형성한다.
이러한 반도체에 높은 반사율을 갖는 거울 구조의 공진기를 결합하면 빛(광자)과 물질(엑시톤)이 강하게 상호작용하며 빛, 물질의 성질을 동시에 갖는 제3의 양자 물질을 만들 수 있는데 이를 폴라리톤이라 한다.
폴라리톤이 일정 밀도 이상 모이면 마치 하나의 입자처럼 행동하는 폴라리톤 응축 상태를 띌 수 있는데 이 때 폴라리톤은 초유체의 특성도 갖게 된다. 다른 초유체와 달리 잘 정립된 반도체 공정 기술과 광학적 제어 기술이 결합돼 있고, 초유체 생성 온도가 상대적으로 높아 그 응용 가능성이 기대되는 물질이다.
연구팀은 광-펌핑(원자나 이온이 빛을 흡수해 낮은 에너지의 상태에서 높은 에너지의 상태로 변화하는 현상)을 위해 사용한 레이저의 궤도 각운동량을 제어해 반도체 물질 내에 양자 소용돌이의 방향과 개수를 손쉽게 조절할 방법을 개발했다.
연구팀은 공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험조건을 극복했다. 이 결과는 고체 상태에서 광학적 방법을 이용한 미래형 정보 소자와 복잡한 양자 현상을 이해할 수 있는 양자 시뮬레이터로의 활용 가능성을 높였다는 측면에서 큰 의의가 있다.
비공진 레이저의 궤도 각운동량이 폴라리톤의 기저 상태에까지 영향을 끼친다는 것을 밝힌 이번 연구 결과는 반도체 공진기 시스템에서 전자-정공 쌍의 에너지 완화 과정을 이해하는 데에 있어서도 중요한 결과이다.
KIST 송진동 박사 연구팀과의 협력으로 진행된 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 및 신진연구자 지원사업을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 엑시톤-폴라리톤 초유체와 양자소용돌이 상태의 생성
그림2. 양자소용돌이 제어
2019.03.11 조회수 14234 -
차세대 투명 저항 변화 메모리(TRRAM) 세계 최초 개발
- KAIST 전자전산학부 임굉수, 박재우 교수 연구팀
- 美 물리학회지, 응용물리학회지, 외국 인터넷 매체에 소개
미래 다가올 투명전자 기술의 밑거름이 되는 투명 메모리 소자가 국내 연구진에 의해 세계최초로 개발됐다.
KAIST 전자전산학부 임굉수(林宏樹, 62), 박재우(朴在佑, 44) 교수팀은 금속 산화물의 저항 변화를 이용한 차세대 투명 저항 변화 메모리(Transparent Resistive Random Access Memory: TRRAM) 소자 개발에 성공하여 미국 응용물리학회지(Applied Physics Letters) 12월호에 발표하였으며, 미국 물리학회(American Institute of Physics, 12월 9일자)로부터 주목 받는 기술로 선정되어 보도자료(Press Release: The Clear Future of Electronics)로 소개 되었다.
특히, 각종 외국 인터넷 뉴스매체에서도 이번에 개발된 투명 메모리 소자가 세계 1위 휴대폰 제조업체인 노키아에서 제안한 차세대 투명 휴대폰(일명: Morphy)에도 적용이 가능하다는 기사들을 게재했다.
이번에 개발된 투명 메모리 소자는 현재 일반인들이 주머니 속에 하나씩 가지고 다니는 USB형태의 플래시 메모리와 같이 전원이 제거되어도 저장된 데이터가 지워지지 않는 비휘발성 메모리 소자와 같은 종류이지만 투명 유리 또는 투명 플라스틱 기판 위에 투명 전극과 투명 산화물 박막 등으로만 구성되어 있어 전체적으로 투명하게 보이며, 기존 실리콘 기반 CMOS(상보적 금속/산화물/반도체) 플래시 메모리 소자보다 제조 공정이 훨씬 간단하고 사용 수명도 10년 이상으로 예상된다. 이 투명 메모리 소자는 기술적으로는 이미 상업개발이 진행되고 있는 저항 변화 메모리(RRAM)를 응용한 것이며, 향후 투명디스플레이등과 같은 투명전자기기와 집적화하여 통합형 투명 전자시스템 구현도 가능하게 되었다.
이번 연구는 KAIST 전자전산학부 박사과정 서중원 학생, 지도교수 임굉수 교수, 그리고 박재우 교수가 공동으로 수행하였으며, 미래 투명전자 기술에서 저장 매체로서 핵심적일 것으로 예상되지만 아직 연구 개발이 진행되지 않은 “완전히 투명한 메모리 소자”에 착안하여 연구 개발을 시작하게 되었다.
연구팀 관계자는 “이번 투명 메모리 소자 개발은 기존 실리콘 기반 CMOS 플래시 메모리 시장을 완전히 대체 하는 기술은 아니다” 며, “앞으로 다가올 투명 디스플레이 등과 같은 투명전자 시대에 맞춰 가장 기본적인 저장 매체인 메모리 소자 또한 투명하게 만들고자 하는 취지에서 개발되었고, 이와 더불어 앞으로도 IT 일등 강국으로서의 위상을 이어 나갈 수 있는 발판을 마련한 것에 의미가 있다고”고 밝혔다.
이번 연구는 KAIST BK21 사업 지원으로 수행되었다.
2008.12.16 조회수 18051