최대 1,000,000배 더 빠른 속도: 단일 분자로 만든 스위치

Nov 01, 2023

도쿄 대학 2023년 3월 12일

들어오는 전자와 입사되는 적색 레이저 광 펄스가 있는 풀러렌 스위치에 대한 예술가의 렌더링. 출처: 2023 Yanagisawa et al.

도쿄대학교 고체물리연구소를 포함한 국제 연구팀이 획기적인 발견을 했습니다. 그들은 트랜지스터와 유사한 스위치로 풀러렌이라는 단일 분자를 사용하는 것을 성공적으로 입증했습니다. 연구팀은 정확하게 보정된 레이저 펄스를 사용하여 이를 달성했으며, 이를 통해 예측 가능한 방식으로 들어오는 전자의 경로를 제어할 수 있었습니다.

풀러렌 분자에 의해 구현되는 스위칭 프로세스는 마이크로칩에 사용되는 스위치보다 훨씬 더 빠를 수 있으며, 활용되는 레이저 펄스에 따라 속도가 3~6배 정도 증가합니다. 네트워크에서 풀러렌 스위치를 사용하면 현재 전자 트랜지스터로 달성할 수 있는 것 이상의 기능을 갖춘 컴퓨터를 만들 수 있습니다. 또한 전례 없는 수준의 해상도를 제공함으로써 현미경 이미징 장치에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다.

70여년 전에 물리학자들은 분자가 전기장이 있을 때 전자를 방출하고 나중에는 특정 파장의 빛이 방출된다는 사실을 발견했습니다. 전자 방출은 호기심을 불러일으키지만 설명할 수 없는 패턴을 만들었습니다. 그러나 이는 새로운 이론적 분석 덕분에 바뀌었습니다. 그 파급 효과는 새로운 하이테크 응용으로 이어질 뿐만 아니라 물리적 세계 자체를 면밀히 조사하는 능력도 향상시킬 수 있습니다.

풀러렌 스위치가 기차 선로 전환점처럼 작동하는 방식에 대한 간단한 비유입니다. 광 펄스는 여기에서 기차로 표시되는 들어오는 전자의 경로를 변경할 수 있습니다. 출처: 2023 Yanagisawa et al.

프로젝트 연구원인 야나기사와 히로후미(Hirofumi Yanagisawa)와 그의 팀은 특정 종류의 레이저 광에 노출되었을 때 여기된 풀러렌 분자의 전자 방출이 어떻게 행동해야 하는지 이론을 세웠고, 예측을 테스트한 결과 그것이 정확하다는 사실을 발견했습니다.

Yanagisawa는 “여기서 우리가 할 수 있었던 것은 매우 짧은 펄스의 적색 레이저 광을 사용하여 분자가 들어오는 전자의 경로를 지시하는 방식을 제어하는 ​​것입니다.”라고 말했습니다. “빛의 펄스에 따라 전자는 기본 경로를 유지하거나 예측 가능한 방식으로 방향이 바뀔 수 있습니다. 따라서 이는 기차 선로의 전환점이나 전자 트랜지스터와 약간 비슷하지만 훨씬 더 빠릅니다. 우리는 기존 트랜지스터보다 100만 배 빠른 스위칭 속도를 달성할 수 있다고 생각합니다. 그리고 이는 컴퓨팅의 실제 성능으로 해석될 수 있습니다. 그러나 마찬가지로 중요한 점은 풀러렌 분자가 동시에 여러 방식으로 전환되도록 레이저를 조정할 수 있다면 단일 분자에 여러 개의 미세한 트랜지스터가 있는 것과 같을 수 있다는 것입니다. 이는 물리적 크기를 늘리지 않고도 시스템의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.”

스위치의 기본이 되는 풀러렌 분자는 아마도 약간 더 유명한 탄소 나노튜브와 관련이 있지만 풀러렌은 튜브 대신에 탄소 원자의 구체입니다. 본질적으로 핀의 끝 부분인 금속 지점에 배치하면 풀러렌은 특정 방향으로 방향을 지정하므로 예상대로 전자를 유도합니다. 펨토초, 1000조분의 1초, 심지어는 아토초, 100분의 1초 규모의 빠른 레이저 펄스가 풀러렌 분자에 집중되어 전자 방출을 유발합니다. 이러한 방식으로 분자로부터 전자의 방출을 제어하기 위해 레이저 광이 사용된 것은 이번이 처음입니다.

"이 기술은 광전자 방출 현미경이 이미지를 생성하는 방식과 유사합니다"라고 Yanagisawa는 말했습니다. “그러나 이는 기껏해야 10나노미터, 즉 100억분의 1미터 정도의 해상도를 달성할 수 있습니다. 우리의 풀러렌 스위치는 이를 향상시켜 약 300피코미터, 즉 100조분의 1미터의 분해능을 허용합니다.”

원칙적으로 여러 개의 초고속 전자 스위치를 단일 분자로 결합할 수 있으므로 기존 마이크로칩보다 잠재적으로 훨씬 빠르게 계산 작업을 수행하려면 풀러렌 스위치의 작은 네트워크만 있으면 됩니다. 그러나 이 새로운 종류의 집적 회로를 만드는 데 필수적인 레이저 부품을 소형화하는 방법과 같이 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다. 따라서 풀러렌 스위치 기반 스마트폰을 보려면 아직 수년이 걸릴 수 있습니다.

Reference: “Light-Induced Subnanometric Modulation of a Single-Molecule Electron Source” by Hirofumi Yanagisawa, Markus Bohn, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Florian Goschin and Matthias F. Kling, 8 March 2023, Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.106204/p>