밸리트로닉스로의 새로운 길

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-30

최근 첨단 산업 내에서 많이 연구하는 양자 컴퓨팅으로의 잠재적인 방법은 밸리트로닉스이다. 이는 특정 2차원 (2D) 반도체들을 통해 움직이는 전자들의 파동형 움직임에 기초하여 암호화되기 때문이다. 최근 벨리트로닉스 기술로 가는 유망한 새로운 길이 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소) 연구원들에 의해 발견되었다. 버클리 연구소 재료 과학 분과 응집 물질 물리학자인 펭 왕 박사는 광학 스타크 효과로 알려진 잘 정립된 현상이 서로 다른 에너지 밸리들에서 엑시톤으로 불리는 광여기 전자/홀 쌍들을 선택적으로 조절하는데 이용될 수 있다는 것을 시험한 연구를 지도했다. 벨리트로닉스에서, 전자들은 두 가지 에너지 밸리들을 가진 하나의 파로서 2D 반도체의 격자를 통해 움직인다. 각 밸리는 구별되는 운동량과 양자 밸리 수에 의해 특성화된다. 이 양자 밸리 수는 전자가 최소 에너지 밸리 내에 있을 때 정보를 암호화하는데 이용될 수 있다. 이 기술은 정보가 양자 스핀 수에서 암호화되는 스핀트로닉스와 유사하다. 팽 박사는 이는 스타크 효과가 밸리트로닉스 내에서 할 수 있는 중요한 역할의 첫 번째 사례이며 밸리 자유도를 선택적으로 조절하기 위해 원형 편광 펨토초 광 펄스들의 이용에 기초한 기술이 양자 정보 응용들에 대한 밸리 엑스톤의 고속 조작의 가능성을 열고 있다고 밝혔다. 버클리 캘리포니아 대학 물리학과 교수인 왕 박사는 MX2 물질들로 알려진 2D 반도체들을 연구해 왔다. 이 단일 층은 황(S)과 같은 찰코겐 원자들의 두 층 사이 속에 겹쳐진 몰리브덴(Mo)과 같은 전이 금속 원자 단일 층으로 구성된다. 원자적을 얇은 2D 반도체들은 그래핀과 같은 육각 벌집모양 격자를 특색으로 한다. 그러나 그래핀과 달리 MX2 물질들은 트랜지스터와 다른 전자 소자들에서 이용할 수 있도록 자연적인 에너지 밴드갭들을 가지고 있다. 지난 해 왕 박사와 그의 연구그룹은 광여기 MX2 물질 내에서 초고속 전하 이동의 첫 번째 실험적인 관찰을 보고했다. 50펨토초 이하의 기록된 전하 이동 시간은 미래 전자 소자들을 위해 MX2 물질들이 그래핀과 경쟁할 수 있게 해 주었다. 새로운 연구에서, 왕 박사와 그의 연구그룹은 광학 스타크 효과를 이용하여 WSe2의 삼각 단층 내 밸리 엑시톤들을 조절하기 위해 초고속, 초강력 가상 자기장을 발생시켰다. 왕 박사는 광학 스타크 효과는 비공명 레이저 장에 의해 유도된 2 레벨 시스템 내 에너지 이동을 설명하고 있으며 초고속 펌프 탐침 분광기를 이용하여, 연구원들이 K와 K’ 밸리 엑시톤 전이들 사이 10밀리 전자 볼트 이상 에너지 분리를 초래하는 비공명 펌프에서 WSe2 단일층 내 순수하고 밸리 선택적인 광학 스타크 효과를 관찰할 수 있었다고 말했다. 또한 그는 실재 자기장으로 밸리 엑시톤들을 조절하는 것은 초전도 자석들에서도 얻기 힘들기 때문에, 광유도 가상 자기장은 매우 유용하다고 전했다. 스핀트로닉스와 비슷하게, 밸리트로닉스는 고전 전자소자들에서 사용되는 전하보다 데이타 처리 속도에서 엄청난 장점을 제공하고 있다. 그러나 양자 스핀이 안정성 문제들을 유도할 수 있는 자기장에 강하게 연결되어 있다. 이는 양자 파동들에 대하여 문제가 아니다. 밸리 의존 광학 스타크 효과는 높은 정확성을 가진 공명 여기 밸리 분극의 간섭성 회전을 유발하는 편리하고 빠른 방법을 제공하고 있다. 이런 밸리 분극의 간섭성 이용은 밸리트로닉스에 대한 매력적인 기회들을 제공할 수 있을 것이다. 그림 설명: 이 연구는 비공명 레이저 장에 의해 유도된 2 레벨 시스템 내 에너지 이동을 설명하는 광학 스타크 효과가 MX2 반도체들 내에서 벨리 엑시톤들을 조절하는데 이용될 수 있다는 것을 보여준다. 참고 자료: "Ultrafast generation of pseudo-magnetic field for valley excitons in WSE2 monolayers." Science 2014: Vol. 346 no. 6214 pp. 1205-1208 DOI: 10.1126/science.1258122 newpathwayto.jpg http://phys.org/print341567702.html