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[지금 해외에서는]안정성-재현성과에 대한 양자점 성질

금속성 수소 구조 이해 등


 

최근 두 개의 양자점(quantum dots)을 연장해 안정하고 측정 가능한 상태의 파생물이 제조될 수 있다는 이론적 증거가 최초로 보고됐다. 이러한 사실은 양자 역학 상태가 선택적이고 재생된다는 양자 다윈설로 알려져 있는 개념을 지지하는 것으로서, 미래의 양자 정보 테크놀러지의 발전에 있어 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

양자점은 양자 물리법칙에 의해 지배되는 나노 구조체이다. 이는 양자점에 존재하는 전자가 특정 에너지 값을 갖는 상태임을 추정하고 있다는 것을 의미한다. 만약 이러한 전자 상태가 측정된다면 주변과의 상호작용이 관찰될 것이다. 이러한 상호작용의 결과로 몇몇 전자 상태는 서로 혹은 주변의 상태와 섞여 에너지적으로 불분명해진다.

하지만 몇몇 초기 상태는 견고해 초기의 에너지 값을 유지하게 된다. 이는 '포인터 상태(pointer states)'로 알려져 있으며 최근까지 이러한 상태는 단일 양자점에서 존재하는 것만이 입증됐다. 최근 아리조나대와 공조한 레오벤대 연구진은 알루미늄 알세니드와 갈륨 알세니드로 제조된 반도체 층상 구조 위에 연합된 양자점에서도 위와 같은 포인터 상태가 존재함이 성공적으로 입증됐다.

연구진은 두 개의 양자점이 연결된 포인터 상태를 양자공유 포인터 상태로 칭했다. 이러한 사실은 매우 중요한 발견인데, 왜냐하면 분자로 표현될 수 있는 두 개의 양자점이 연결된 상태이기 때문이다. 주변과의 상호작용은 저항과 같은 값이 측정될 수 있음을 의미한다.

연구진은 또한 주변과의 상호작용 동안 포인터 상태만이 안정해 이들의 파생물이 제조될 수 있다는 양자 다윈설을 보다 명확하게 했다. 이러한 개념을 입증하기 위해 연구진은 몇 개의 양자점이 일렬로 배열된 시스템에서의 전자 밀도 함수를 계산했다. 위와 같은 시스템은 전류가 투과된 전자 웨이브에 의해 결정되는 전자 웨이브가이드에 해당한다.

양자공유 포인터 상태의 에너지에 대한 전자 확률 밀도를 계산함으로써 밀도 함수의 3차원 패턴이 상이한 전자 웨이브와 동일하다는 것이 증명됐다. 다시 말해 양자공유 포인터 상태의 파생물이 존재한다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 양자 다윈설이 실제로 작동한다는 증거가 된다. [전문바로가기]

◆금속성 수소 구조 이해
▲연구진이 금속 실란의 결정구조를
어떻게 계산했는지  보여주는 그림

ⓒ2008 HelloDD.com


스웨덴과 프랑스의 물리학자들은 처음으로 금속상 실란(silane)의 결정 구조를 계산했다. 실란은 보통 상태에서는 실리콘과 수소의 가스 화합물인데 높은 압력에서는 고체 금속으로 변하고 압력이 더 높아지면 초전도체가 되는 특이한 물질이다.

이 물질은 초고압 물리 연구를 통해 연구자들이 고온 초전도체의 새로운 시스템 개발과 금속성 수소의 구조를 이해하는데 중요한 역할을 한다. 주기율표에서 수소는 알칼리 금속과 같은 족에 속해서 충분히 큰 밀도에서는 금속이 될 것이다.

이 예측은 약 70년전에 Eugene Wigner에 의해서 제안됐다. 또한 40여년 전에 코넬 대학의 Neil Ashcroft는 금속 수소가 30K 이상 온도에서 초전도체가 될 것이라고 예측했다. 그러나 아직까지 물리학자들은 금속 수소를 제작하지 못했다. 고체 수소를 320GPa의 압력까지 증가시켰지만 반도체 상태만을 관측할 수 있었다.

이 압력은 공기압의 3백만 배에 달하는 것이며 실험에서 사용하는 다이아몬드 앤빌(anvil) 압력의 거의 극한에 가까운 수치다. 과학자들은 액체 수소에 충격파로 140GPa의 압력을 가해 금속이 되는 것을 관측했으나, 단지 100나노초 동안만 지속됐다. 이런 문제점들로 물리학자들은 금속 수소를 만들려고 노력하는 대신 수소가 풍부한 물질인 메탄(CH4)이나 실란(SiH4)과 같은 물질의 금속상으로 눈을 돌렸다. [전문바로가기]

◆中, 그라핀 전극 이용 유기전계효과 트랜지스터 연구
▲그라핀 전극의 유기전계효과 트랜지스터 제조 표시도 ⓒ2008 HelloDD.com


유기전계효과 트랜지스터(OFET)는 분자 전자학·유기 전자학의 핵심 기본 단위 또한 유연성을 가지는 전자 소자의 핵심 부품으로 개발되고 있어 전세계 전자 영역 연구의 새로운 이슈가 되고 있다. 현재 고성능 유기전계효과 트랜지스터의 성능은 실용적인 요구에 도달됐다.

중국과학원 화학연구소 유기고체연구원중점실험실 연구원은 기존에 사용하던 금(Au)을 구리(Cu)와 은(Ag)으로 대체, 유기전계효과 절연층 전극으로 하나의 고성능 부품을 합성했다. 연구를 기반으로 나노구조 전극의 구축을 통해 전극 형태와 부품 성능 관계를 연구했다. 또한 실험실에서는 저비용 고성능 유기전계효과 트랜지스터 연구에서도 성과를 획득했다.

연구원은 낮은 일 함수(Low work function)를 갖는 구리를 이용, 절연층 전극의 고성능 유기전계효과 트랜지스터를 개발했다. 유기광전기 부품에 대해 전극의 일 함수와 유기 반도체 에너지 급수는 전류 흐름을 결정하고 부품의 성능에 영향을 준다. 금 전극은 대부분 p형 유기 반도체와 좋은 접촉을 형성하여 p형 유기전계효과 트랜지스터의 절연층 전극으로 사용된다. [전문바로가기]

◆온난화가 토양 탄소저장능력에 미치는 영향
▲앗삐 삼림기상시험지
ⓒ2008 HelloDD.com


일본 원자력연구개발기구(JAEA) 원자력기초공학 연구부문 삼림종합연구소(FFPRI) 동북지소는 아시아플럭스네트워크의 관측지 중 하나인 이와테현 앗삐(安比) 삼림기상시험지에서 토양 중 유기탄소에 포함돼 있는 방사성 탄소 비율로부터 냉온대 너도밤나무림 토양의 탄소저장능력을 추정했다.

이 결과 현재 주요한 이산화탄소 방출원이 아닌 비교적 체류시간이 긴 토양 유기물로부터의 탄소소실이 촉진될 가능성이 있다는 것을 밝혀냈다. 현재 지구 전체에는 약 1500Pg(1Pg=10억 톤)의 탄소가 유기물로서 토양 중에 축적돼 있다.

이것은 대기 중에 이산화탄소로서 존재하는 탄소량의 약 2배, 육지 식물이 보유하고 있는 탄소량의 약 3배에 해당한다. 식물은 식물 자체의 호흡으로 방출하는 양을 빼고 연간 약 60Pg의 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 있다. 한편 토양에서는 미생물이 토양 유기물을 분해해 연간 약 55Pg의 이산화탄소를 대기 중으로 방출하고 있다고 추정되며, 이 방출양은 화석연료의 소비 등 인간이 대기 중으로 방출하는 이산화탄소량의 약 10배에 해당한다.

미생물이 토양 유기물 분해를 촉진하고, 토양으로부터 이산화탄소 방출양의 증대로 지구온난화에 따른 온도상승이 가속화될 가능성이 우려돼 토양에 축적된 탄소의 환경변화에 따른 거동에 커다란 관심이 모아지고 있다. 그러나 토양이 갖는 미생물 분해특성이 다양하기 때문에 정량적인 예측이 어렵다. [전문바로가기]

[자료출처 : 한국과학기술정보연구원 해외과학기술동향]
 
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