기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단은 실리콘 기판에 형성시킨 단원자폭의 실리콘 원자도선에서 삼진법 정보(0, 1, 2)를 가지고 이동하는 새로운 솔리톤 입자*를 세계 최초로 발견했다. 기존에 비해 월등히 많은 정보를 에너지 손실 없이 처리할 수 있어 인공지능 컴퓨터 구현에 한 걸음 가까이 다가갈 수 있을 것으로 전망된다.

* 솔리톤 입자는 저항 없이 정보를 잃어버리지 않고 안전하게 전달할 수 있는 입자로 대형 지진으로 수천 km를 이동하는 쯔나미도 물리적으로는 솔리톤 현상으로 이해된다.

2013년 염한웅 연구단장은 전하를 가지고 이동하는 단일 솔리톤입자를 최초로 관측했다. 이어 솔리톤입자가 4진법정보(0, 1, 2, 3)를 가지는 것을 증명하고 4진법 연산을 실제 측정하여 솔리토닉스라는 새로운 다진법 정보처리 패러다임을 제시했다.

이전에 발견된 솔리톤과는 달리 이번 연구에서는 2/3과 4/3 분수값 전하를 가지는 새로운 솔리톤입자를 발견했다. 연구진은 반도체소자에 가장 광범위하게 쓰이는 실리콘 기판에 금원자를 증착하여 원자 한 개 폭인 실리콘 원자선 배열을 만들었다. 영하 100도 이하에서 실리콘 원자선이 찌그러지며 나타나는 특이한 구조가 솔리톤 입자 생성조건에 적합하다고 판단하고 실험을 수차례 반복해 새로운 솔리톤 입자를 발견했다.

본 연구는 10년 이상 실험조건을 바꾸며 관측을 거듭한 끝에 결실을 맺었다는 점에서 의미가 크다. 2003년 연구진은 일차원적 원자배열을 가지는 금속의 구조가 주기적으로 찌그러져 반도체가 될 때 솔리톤입자가 발생한다는 것을 이론적으로 예측했다. 이후 연구진이 만든 실리콘 원자선이 실온에서 금속적인 성질을 가지다 저온에서 찌그러지며 반도체로 바뀌는 실리콘 원자선의 상전이 현상을 발견했다. 앞선 연구를 기반으로 면밀한 이론적 검토 끝에 삼진법 소자를 가진 솔리톤입자 존재를 확인했다.

이번에 발견한 솔리톤입자는 약 영하 170도의 저온에서부터 자유롭게 빠른 속도로 움직여 삼진법 정보로 빠르게 전달할 수 있다. 또한 솔리톤입자 고유의 특성 상 주변의 전자들이나 다른 솔리톤입자와의 충돌로 정보가 소멸되지 않아 전기적 저항이 없는 정보 전달체가 될 수 있다.

이러한 성질을 활용하면 실리콘 기판을 사용한 솔리톤 입자에 삼진법 정보를 저장하고 저항이나 발열로 소모되는 에너지 없이 전달하는 꿈의 소자와 컴퓨터를 구현이 가능하다. 이미 오래전부터 삼진법에 기반한 컴퓨터의 기본 원리가 확립되어 있어 실제 전자소자 개발에 응용될 수 있다.

교신저자 염한웅 단장은 “물리학계에서 보기 드물게 세계적으로 주목받는 새로운 소자의 발견과 실용화의 방향성을 동시에 제시한 성과”라고 밝혔다.

이번 연구는 세계적인 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 12월 23일자로 게재됐다.

[그림 1] 삼진법 솔리톤과 개별 솔리톤의 생성
실리콘 기판 (검정색 구로 표현된 원자들) 위에 형성된 실리콘(회색, 하늘색, 빨간색 원자들)과 금원자선 (노란색 원자들).
실리콘 기판에 금을 증착하고 가열하면 특정한 조건에서 자발적으로 실리콘과 금 원자들의 원자선들이 자발적으로 형성된다. 섭씨 영하 100도 이하에서 실리콘 원자선의 구조가 주기적으로 찌그러지고 (빨간색 실리콘 원자들이 하늘색 실리콘 원자들 보다 낮은 위치로 이동) 이로 인해 솔리톤입자가 생성될 조건이 만들어진다. 부분적으로 실리콘 원자선의 찌그러짐이 변화하면 이곳의 전자상태가 변화하여 솔리톤입자를 형성하게 된다. 이 솔리톤 입자는 특이한 전하를 (전자의 전하의 2/3와 4/3 값을 가짐) 가지고 자유롭게 움직이게 된다. 이 전하는 위상학적으로 정해지고 보호되어 다른 전자들과 충돌하지 않으며 솔리톤끼리의 충돌에도 보존되는 특성을 가진다. 이로 인해 전하를 가지고 움직이지만 전기저항이 발생하지 않는다.

IBS 커뮤니케이션팀
백서윤