[오늘의 과학자]전자 하나씩 보내는 원자선 발견…"직접회로 소형화 앞당겨"

머니투데이

류준영 기자

인듐 원자선에 갇힌 전자의 공간분포 이미지/사진=IBS

기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계 연구단의 염한웅 단장과 이성훈 연구위원이 전자를 하나씩 이동시키는 폭 1나노미터(㎚)급의 인듐원자선을 찾아냈다고 9일 밝혔다.

일반 도체전선은 한꺼번에 많은 전자를 흘려보낸다. 반면, 연구팀은 인듐원자선의 원리를 활용, 단 하나의 전자로 1비트의 정보를 처리하는 단전자 소자를 구현하면, 지금까지 수십 개의 전자가 수행하던 작업을 전자 하나가 대신할 수 있다고 설명했다. 이는 즉, 전자 하나를 회로의 스위치로 만들 수 있는 실마리를 찾아낸 것이다.

그만큼 전력소비 및 발열도 크게 줄일 수 있다. 연구팀은 이번 연구성과가 향후 '집적회로의 소형화'를 앞당길 것으로 내다봤다.

원리는 다음과 같다. 우선 500℃ 이상의 고온에서 실리콘 표면에 인듐을 뿌리면, 인듐원자가 규칙적으로 사슬처럼 엮인 선폭 1㎚ 이하의 원자전선을 형성한다. 이는 상온에서는 도체지만 영하 150℃ 이하에서는 부도체의 성질을 갖는다.

각 원자사슬은 서로 다른 네 가지 원자구조(A, B, C, D)의 조합으로 이뤄져 있다. 연구팀은 “이들이 어떤 순서로 배열하느냐에 따라 방향성을 갖게 할 수 있다”고 설명했다.

이때 각 원자사슬 양단 사이에 좁은 경계가 생기며 이를 '솔리톤'이라고 부른다. 솔리톤은 몸 속 혈액의 흐름처럼 안정된 파동의 형태를 띠는 등 특이한 전자상태를 갖는다. 솔리톤에는 하나의 전자를 가둘 수 있다.

염한웅 단장, 이성훈 연구위원/사진=IBS

연구팀은 "원자사슬을 구성하는 원자들의 순서를 바꿔주면 '솔리톤'이 방향성을 갖고 이동하게 돼 솔리톤에 갇힌 전자도 함께 이동하게 된다"며 "이는 마치 무빙워크가 움직이면서 위에 가만히 서 있는 탑승자를 이동시키는 것과 같은 모습"이라고 설명했다.

연구팀은 이를 통해 인듐 원자선에 전자를 하나씩, 원하는 방향으로 흘려보낼 수 있다고 말했다.

연구진은 방향성을 가진 솔리톤을 '카이럴 솔리톤'이라고 명명했다. 이번 연구성과는 국제학술지인 '사이언스' 9일자에 게재됐다.