KAIST(총장 신성철)는 심흥선 물리학과 교수팀이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다고 5일 밝혔다.

움직이는 물체를 관찰하려면 카메라로 연속촬영을 하면 된다. 그러나 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 이동을 포착할 수는 없다. 이러한 문제점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용된다. 

10GHz보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능하다. 전자를 발사하는 10⁻⁶m 미만 크기의 전자 펌프에서 10⁴-10⁵m/sec의 속력으로 움직이는 전자를 포착할 수 없다.

연구팀은 '나노 셔터'를 나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 나노 셔터는 공명 상태를 갖는 불순물이다. 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오면서 전류 신호로 관측된다.

공명 상태 에너지를 시간에 따라 변화시키면 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있다. 나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻게 돼 전자의 움직임을 확인할 수 있다.

연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본전신전화주식회사(NTT) 연구소는 영국의 국가표준기관인 NPL과 협력해 나노 셔터를 구현했다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 '양자점 전자 펌프'다. 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사한다. 

연구팀은 양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 펌프 내에서 전자 파동함수가 진동하고 있음을 관찰했다. 진동수는 250GHz 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10GHz 이상 진동수를 갖는 전자를 포착한 것은 이번이 처음이다.

심흥선 교수는 "양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다"며 "개발한 나노 셔터는 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에 응용될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다.