.Quantum Leap in Ultrafast Electronics Secured by Graphene’s Atomic Armor

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.Quantum Leap in Ultrafast Electronics Secured by Graphene’s Atomic Armor

그래핀의 원자 갑옷으로 보호되는 초고속 전자 장치의 양자 도약

주제:2D 재료그래핀나노기술양자재료뷔르츠부르크 대학교 작성자: 뷔르츠부르크 대학교 2024년 3월 4일 그래핀 층 대 물 그래핀 층이 물로부터 보호하는 방법을 보여주는 도식적 표현입니다. 토폴로지 절연체 인덴넨의 가장자리를 따라 흐르는 전류는 외부 영향에 전혀 영향을 받지 않습니다. 크레딧: Jörg Bandmann, pixelwg

연구원들이 초고속 전자공학에 유망한 양자 물질인 인덴(indenene)을 위한 획기적인 보호 코팅을 개발하여 산화 없이 공기 중에서 사용할 수 있게 했습니다. 이 혁신은 원자층 전자공학의 미래에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 점점 더 빠르고 강력한 컴퓨터 칩을 만들기 위한 경쟁은 기본 구성 요소인 트랜지스터가 점점 더 작고 컴팩트한 크기로 축소됨에 따라 계속됩니다.

몇 년 안에 이 트랜지스터는 단지 몇 개의 원자만 측정하게 될 것이며, 그 시점이 되면 현재 사용되는 실리콘 기술의 소형화는 물리적 한계에 도달하게 될 것입니다. 결과적으로, 완전히 새로운 특성을 지닌 대체 재료에 대한 탐구는 미래의 기술 발전에 매우 중요합니다.

2021년에 JMU Würzburg 및 TU Dresden 대학의 우수 클러스터 ct.qmat – 양자 물질의 복잡성 및 위상학의 과학자들은 중요한 발견을 했습니다. 즉, 초고속, 에너지 효율성이 큰 가능성을 지닌 인덴넨과 같은 위상학적 양자 물질입니다. 전자 제품. 결과적으로 극도로 얇은 양자 반도체는 단일 원자 층(인덴넨의 경우 인듐 원자)으로 구성되며 위상 절연체 역할을 하여 가장자리를 따라 거의 저항 없이 전기를 전도합니다.

“이러한 단일 원자층을 생성하려면 정교한 진공 장비와 특정 기판 재료가 필요합니다. 이 2차원 재료를 전자 부품에 활용하려면 진공 환경에서 제거해야 합니다. 그러나 공기에 노출되면 잠깐이라도 산화가 발생하여 혁신적인 특성이 파괴되고 쓸모 없게 됩니다.”라고 ct.qmat의 Würzburg 대변인이자 실험 물리학자인 Ralph Claessen 교수는 설명합니다. ct.qmat Würzburg 팀은 이제 이 문제를 해결했습니다. 그들의 결과는 Nature Communications 저널에 게재되었습니다 .

2차원 양자재료 보호층 실험적인 이미지의 융합. 상단의 주사 터널링 현미경 이미지는 그래핀의 벌집 격자(보호층)를 표시합니다. 중앙에서 전자현미경은 인덴넨 물질의 평면도를 삼각형 격자로 보여줍니다. 아래에는 탄화규소 기판의 측면도가 나와 있습니다. 인덴넨과 그래핀 모두 단일 원자층으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 출처: Jonas Erhardt/Christoph Mäder)

보호 코팅을 찾아서 “우리는 보호 코팅을 사용하여 민감한 인덴 층을 환경 요소로부터 보호하는 방법을 찾는 데 2년을 투자했습니다. 문제는 이 코팅이 인덴넨 층과 상호 작용하지 않도록 하는 것이었습니다.”라고 이 프로젝트에 참여한 Claessen의 박사 과정 학생 중 한 명인 Cedric Schmitt는 설명합니다. 이러한 상호 작용은 보호층과 반도체 등 다양한 유형의 원자가 만날 때 원자 수준에서 화학적으로 반응하여 재료를 변경하기 때문에 문제가 됩니다. 이는 여러 원자 층으로 구성되어 충분한 층이 영향을 받지 않고 계속 작동하는 기존 실리콘 칩에서는 문제가 되지 않습니다.

인덴넨과 같은 단일 원자층으로 구성된 반도체 재료는 일반적으로 보호막에 의해 손상됩니다. 이는 우리의 연구 호기심을 자극하는 극복할 수 없는 것처럼 보이는 도전 과제였습니다.”라고 Claessen은 말합니다. 실용적인 보호층을 찾기 위해 그들은 네덜란드 물리학자 Johannes Diderik van der Waals(1837-1923)의 이름을 딴 van der Waals 물질을 탐구하게 되었습니다. Claessen은 다음과 같이 설명합니다. “이 2차원 반데르발스 원자층은 원자 사이의 내부 결합이 강한 반면 기판과의 결합은 약하다는 특징이 있습니다. 이 개념은 원자가 벌집 모양으로 배열된 탄소 형태인 흑연으로 만든 연필심이 종이에 쓰는 방식과 유사합니다. 그래핀 층은 쉽게 분리될 수 있습니다. 우리는 이러한 특성을 재현하는 것을 목표로 삼았습니다.”

성공! 정교한 초고진공 장비를 사용하여 Würzburg 팀은 인덴의 기판으로 탄화규소(SiC)를 가열하여 그래핀을 형성하는 데 필요한 조건을 탐색하는 실험을 했습니다. “탄화 규소는 규소와 탄소 원자로 구성됩니다. 이를 가열하면 탄소 원자가 표면에서 분리되어 그래핀을 형성하게 됩니다.”라고 Schmitt는 실험실 과정을 설명합니다. 그런 다음 우리는 보호 그래핀 층과 탄화규소 기판 사이에 담긴 인듐 원자를 증기 증착했습니다.

이것이 우리의 2차원 양자물질 인덴넨의 보호층이 형성된 방식이다.” 우산이 펼쳐졌다 세계 최초로 ct.qmat 뷔르츠부르크 지점의 Claessen과 그의 팀은 탁월한 양자 특성을 손상시키지 않으면서 2차원 양자 반도체 재료를 위한 기능성 보호층을 성공적으로 제작했습니다. 제조 공정을 분석한 후 산화 및 부식에 대한 층의 보호 기능을 철저히 테스트했습니다. "효과가있다! 샘플은 어떠한 영향도 받지 않고 물에 노출될 수도 있습니다.”라고 Claessen은 기쁘게 말했습니다.

“그래핀 층은 인덴넨의 우산 역할을 합니다.” 원자층 전자공학을 향하여 이 획기적인 발전은 매우 민감한 반도체 원자층과 관련된 응용 분야의 길을 열었습니다. 초박형 전자 부품을 제조하려면 공기나 기타 화학적 환경에서 가공해야 합니다. 이는 이러한 보호 메커니즘의 발견 덕분에 가능해졌습니다. 뷔르츠부르크 팀은 이제 보호층 역할을 할 수 있는 더 많은 반 데르 발스 재료를 식별하는 데 주력하고 있으며 이미 몇 가지 전망을 염두에 두고 있습니다. 문제는 그래핀이 환경 요인으로부터 원자 단층을 효과적으로 보호함에도 불구하고 전기 전도성으로 인해 단락의 위험이 있다는 것입니다.

뷔르츠부르크 과학자들은 이러한 과제를 극복하고 미래의 원자층 전자공학을 위한 조건을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 우수 클러스터 ct.qmat 우수성 클러스터 ct.qmat – 양자 물질의 복잡성 및 위상학은 2019년부터 Julius-Maximilians-Universität(JMU) Würzburg와 Technische Universität(TU) Dresden이 공동으로 운영하고 있습니다. 30개 이상의 국가, 4개 대륙에서 온 300명 이상의 과학자가 연구합니다. 초저온, 고압, 강한 자기장 등 극한 조건에서 놀라운 현상을 드러내는 위상학적 양자물질. ct.qmat는 연방 및 주 정부의 독일 우수성 전략(German Excellence Strategy)을 통해 자금을 지원받으며 서로 다른 두 연방 주에 기반을 둔 독일 유일의 우수성 클러스터입니다.

참고 자료: Cedric Schmitt, Jonas Erhardt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, 이경찬, Philipp Keßler, Tim Wagner, Merit Spring, Bing Liu, Stefan Enzner, Martin의 "그래핀 층간 삽입을 통해 원자적으로 얇은 양자 스핀 홀 절연체에서 환경 안정성 달성" Kamp, Vedran Jovic, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Timur Kim, Cephise Cacho, Tien-Lin Lee, Giorgio Sangiovanni, Simon Moser 및 Ralph Claessen, 2024년 2월 19일, Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-024-45816-9

https://scitechdaily.com/quantum-leap-in-ultrafast-electronics-secured-by-graphenes-atomic-armor/

 

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메모 24030506 나의 사고실험 qpeoms 스토리텔링

모든 물질에는 거의 표면에 얇은 2차원 qoms 보호막이 형성된다. 인위적으로 만들어내는 물질이 자연적으로 보호막을 형성하려면 새로운 물질을 찾아내야 한다. 물론 우주의 경계나 시공간의 경계는 물질이 아니지만 qoms 보호막이 있어야 한다. 허허.

우주에서는 인체의 피부에 cosmicray 방사선 및 인체온도를 보호하는 극미세막은 근본적으로 외계 극악조건을 차단하는 그래핀 qoms 크림이 당장 필요하다. 허허. 이크림만 바르면 화성이나 달에서 태양아래 목욕도 가능할 수 있거여.

극도로 얇은 양자 반도체는 단일 원자층(인덴넨의 경우 인듐 원자)으로 구성되어 있으며 위상 절연체 역할을 하여 가장자리를 따라 거의 저항 없이 전기를 전도 한다. 그런데 산화를 막는 필름막이 필요하다. 그래서 개발된 것이 그래핀을 사용하여 2차원 양자 물질 보호층이다. 탄화규소는 규소와 탄소 원자로 구성된 것을 가열하여탄소 원자가 표면에서 분리된 그래핀을 형성을 양자반도체의 보호막 필름으로 사용하게 되었다. 허허.

물론 msbase 양자 반도체에는 더 정교한 qpeoms 그래핀 보호막 필름이 필요하다. 허허.

참고로, 양자 반도체는 양자물질이다. 이는 '전자가 입자인 동시에 파동'이라는 양자역학의 고유한 원리로만 설명할 수 있는 물질이다.

-“The graphene layer acts like Indenen’s umbrella.” This breakthrough paves the way for applications involving highly sensitive atomic layers of semiconductors. Manufacturing ultra-thin electronic components requires processing in air or other chemical environments. This became possible thanks to the discovery of this protection mechanism. The Würzburg team is now focusing on identifying more van der Waals materials that could act as a protective layer and already has several prospects in mind. The problem is that, despite graphene effectively protecting its atomic monolayers from environmental factors, its electrical conductivity poses a risk of shorting. Scientists will work to overcome these challenges and create conditions for future atomic layer electronics.

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Memo 24030506 My thought experiment qpeoms storytelling

In all materials, a thin two-dimensional qoms protective film is formed almost on the surface. In order for artificially created substances to naturally form protective films, new substances must be found. Of course, the boundary of the universe or the boundary of space and time is not material, but there must be a qoms shield. haha.

In space, the ultra-fine membrane that protects human skin from cosmic ray radiation and human body temperature fundamentally blocks extreme external conditions, and graphene qoms cream is immediately needed. haha. If you just apply this cream, you can take a bath under the sun on Mars or the Moon.

Extremely thin quantum semiconductors are composed of a single atomic layer (indium atoms in the case of indenene) and act as topological insulators, conducting electricity with little resistance along their edges. However, a film layer is needed to prevent oxidation. So what was developed is a two-dimensional quantum material protection layer using graphene. Silicon carbide is made up of silicon and carbon atoms and is heated to form graphene, in which the carbon atoms are separated from the surface, and is used as a protective film for quantum semiconductors. haha.

Of course, msbase quantum semiconductors require more sophisticated qpeoms graphene protective film. haha.

For reference, quantum semiconductors are quantum materials. This is a substance that can only be explained by the unique principle of quantum mechanics, which states that ‘electrons are particles and waves at the same time.’

Sample oms.vix.a (standard2)
2401030806
vix.a'6//vixx.a(b1,g3,k3,o5,n6)
b0acfd0000e0
000ac0f00bde
0c0fab000e0d
e00d0c0b0fa0
f000e0b0dac0
d0f000cae0b0
0b000f0ead0c
0deb00ac000f
ced0ba00f000
a0b00e0dc0f0
0ace00df000b
0f00d0e0bc0a

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0

Sample oss.msbase (standard) -7.5%
zxdxybzyz- zxxyzyz00
zxdzxezxz- zxzxzxz00
xxbyyxzzx- xxyyxzzx0
zybzzfxzy- zyzzxzy00
cadccbcdc-000000000
cdbdcbdbb- 000000000
xzezxdyyx- xzzxyyx00
zxezybzyy- zxzyzyy00
bddbcbdca-000000000

 

 

 

.Atomic wire discovered, sending electrons one at a time

전자 한 개씩 흘려보내는 원자전선 발견

그림1. 인듐 원자선에 갇힌 전자의 공간분포

- IBS, 1차원 물질에서 '카이럴 솔리톤' 첫 확인... 단전자 소자 실마리 - 국내연구진이 전자를 하나씩 이동시키는 폭 1㎚의 부도체 인듐원자선을 찾아냈다. 이를 활용하면 현재 더딘 기술 발전을 보이는 양자점을 이용한 단전자 소자 발전에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

단전자 소자는 상용화가 이루어질 경우 지금까지의 도체 및 반도체에서 수십 개의 전자가 수행하던 작업을 전자 하나가 대신할 수 있어 전력소비와 발열을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 또한 집적회로의 소형화 역시 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 일반적으로 도체전선은 한꺼번에 많은 전자를 흘려보내고, 부도체는 전자를 흘려보낼 수 없는 전기적 특성을 갖고 있다.

이와는 별도로 2000년 노벨화학상을 수상한 전기가 통하는 폴리아세틸렌은 부도체임에도 전자가 흐를 수 있는 전기적 특성을 갖지만, 전자를 하나씩 제어할 수는 없었다. 그런 가운데 IBS 연구진은 영하 150℃ 이하의 저온에서 부도체인 인듐 원자선이 전자를 하나씩, 원하는 방향으로 흘릴 수 있음을 발견했다. 전자 하나를 회로의 스위치로 만들 수 있는 실마리를 찾아낸 것이다. 인듐 원자선은 500℃ 이상의 고온에서 실리콘 표면 위에 인듐을 뿌려 제작한다.

이때 인듐원자는 규칙적으로 실리콘 기판위에 배열하여 사슬처럼 엮인 선폭 1nm이하의 원자전선을 형성한다. 이렇게 형성된 인듐 원자선은 상온에서는 도체이지만 영하 150℃ 이하에서는 부도체의 성질을 갖는다.  인듐 원자선이 부도체가 되는 것은 각 원자사슬의 서로 다른 네 가지 원자구조(A, B, C, D)의 조합이 어떤 순서로 배열하느냐에 따라 방향성을 갖게 할 수 있기 때문이다. 각 원자사슬 양단 사이에 좁은 경계, 즉 ‘솔리톤’이 생기며 이 솔리톤에 전자 하나가 갇히게 된다. 원자사슬은 구성하는 원자들의 순서를 바꿔주면(A→B→C→D→A의 원자구조를 A→D→C→B→A로) ‘솔리톤’이 방향성을 갖고 이동하게 되어 솔리톤에 갇힌 전자도 이동하게 되는 것이다. 이는 마치 무빙워크가 움직이면서 위에 가만히 서 있는 탑승자를 이동시키는 것과 같다. 연구진은 이번 연구를 통해 찾아낸 ‘1차원 물질에서 방향성을 가진 솔리톤’을 “카이럴 솔리톤”이라고 명명하였다. 기초과학연구원 ‘원자제어 저차원전자계 연구단’의 염한웅 단장과 이성훈 연구위원, 포스텍 김태환 교수, 천상모 박사가 수행한 이번 연구결과는 과학저널 사이언스(Science, IF 33.611)에 10월 9일에 게재되었다.

그림2. IBS 원자제어저차원 전자계연구단(단장 염한웅)은 전자를 하나씩 이동시키는 폭 1nm의 부도체 나노 인듐 원자선을 찾아내는데 성공했다. 이 원리를 활용해 단 하나의 전자로 1비트의 정보를 처리하는 단전자 소자 구현에 성공한다면 집적회로의 소형화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000735/selectBoardArticle.do?nttId=12180

 

 

.New quantum material discovered... Can qubits play a role?

신양자물질 발견…큐비트 역할 가능할까

입력 2023.02.07 01:00댓글 쓰기 국내 연구팀, 스핀구름 응축 통한 새로운 양자물질 발견 국내 연구팀이 양자컴퓨터의 ‘큐비트’ 역할을 할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 양자물질을 발견했다. [사진=과기정통부] 국내 연구팀이 양자컴퓨터의 ‘큐비트’ 역할을 할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 양자물질을 발견했다. 

“기존의 모든 암호체계를 깨트릴 만큼 강력한 컴퓨터이다.” 양자컴퓨터를 설명할 때 전문가들이 자주 인용하는 ‘문장’이다. 양자컴퓨터를 기술적으로 설명하면 전문가들조차 이해하지 못하는 경우가 있다. 일반인들에게 설명하기란 훨씬 어렵다. 이 때문에 ‘기존 암호체계를 깨트리는’이란 표현을 쓴다. 그만큼 빠르고 기존 암호체계를 무너뜨릴 만큼 강력하다는 뜻이다. 국내 연구팀이 양자컴퓨터의 ‘큐비트’ 역할을 할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 양자물질을 발견했다. 큐비트(qubit)는 양자컴퓨터에서 사용하는 기본 단위를 뜻한다.

퀀텀 비트(quantum bit)의 줄임말이다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)는 임현식 동국대 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다고 7일 발표했다. 스핀구름(콘도구름)이란 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들을 말한다. 전기 저항이 없어 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서 스핀구름의 역할이 매우 중요하다고 알려져 있다.

높은 이론·실험적 관심에도 응집물질물리학 분야에서 스핀구름 형성과 더 나아가 이들 사이 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구는 아직 풀리지 않은 난제가 많다. 연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견했다.

이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질일 것이라고 생각하고 연구를 시작했다. 스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계가 있다. 이 때문에 선행 연구가 매우 적었는데도 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 수년 동안 연구를 지속했다.

그 결과, 실리콘 금속에서 관측된 것은 물질의 상(相) 중 고체, 액체, 기체, 플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 ‘보스·아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 분광학, 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다. 실리콘 금속을 이용해 극저온(섭씨 영하 272.15도)에서 스핀 구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 발견한 것이다.

초록색 화살표(불순물 자성)에 대해 작은 화살표(전자)가 극저온으로 갈수록 응축되면서 자성을 없애려는 방향으로 움직인다. 응축되면서 새로운 양자물질이 만들어진다. [사진=과기정통부] 초록색 화살표(불순물 자성)에 대해 작은 화살표(전자)가 극저온으로 갈수록 응축되면서 자성을 없애려는 방향으로 움직인다. 응축되면서 새로운 양자물질이 만들어진다.

‘보스-아인슈타인 응축’은 보존 입자(대표적으로 광자 또는 He4)들이 극저온에서 같은 에너지 상태를 공유해 새로운 물질 상태가 되는 현상을 의미한다. 이번 연구 성과는 금속과 반도체에서 스핀-스핀 상호 작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는 데 이바지할 것으로 기대된다. 강상관계 물질이란 구성 입자들이 강하게 상호작용을 해 일반적 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질이다.

임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다”며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다”고 말했다. 스핀 구름들의 응축상은 온도, 자기장과 주변 환경에 민감하다. 이 때문에 센서로 사용이 가능할 것으로 기대된다. 나아가 스핀-스핀 사이 양자 얽힘을 조절할 수 있다면 양자 정보 기술 분야에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

연구 성과(논문명: Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal)는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 2월 7일자에 실렸다. 공동교신저자는 김은규·신상진 한양대 교수, 정연욱 성균관대 교수 등이다.

다음은 임현식 교수와 일문일답 임현식 동국대 물리반도체과학과 교수.

-우리나라와 다른 나라의 양자컴퓨터 개발의 차이점이 있다면.

“우리나라에서는 집단연구를 통한 양자컴퓨터를 개발하는 그룹이 없다는 점이다. 선진국은 집단연구를 통해 접근하고 있다. 양자컴퓨터는 소자 싸움이다. 현재 초전도체와 이온을 큐비트로 하는 양자컴퓨터가 있다. 이 또한 완벽하지는 않다.”

-양자에 대한 근본적 이해가 필요하다는 것인지.

“그렇다. 양자컴퓨터는 기술적 문제보다 근본적 시스템에 대한 이해가 필요하다. 대규모 집단 연구가 중요한 분야이다. 제약회사 등이 양자컴퓨터에 관심을 가질 수 있는 배경이다. 신약을 개발할 때 복잡한 계산과학이 필요하다. 이는 슈퍼컴퓨터를 이용하더라도 시간이 꽤 걸린다. 양자컴퓨터를 이용하면 달라진다. 이 때문에 돈과 시간이 많이 필요한 제약회사들이 양자컴퓨터에 관심이 매우 높은 편이다.”

-나노기술이 발전하면 양자물질도 더 많이 찾을 수 있나. “꼭 그런 것은 아니다. 나노기술을 이용하는 것은 나노 분야에서 양자역학적 현상이 많이 나타나기 때문이다. 벌크(나노가 아닌)에서도 양자물질은 있을 수 있다. 나노 기술이 반드시 양자컴퓨터의 해답은 아닌 셈이다. 양자역학적 특성을 잘 따르는 물질을 나노기술을 통해 찾든지, 이제까지 알려져 있지 않은 물질의 근본적 특성을 이용해서 찾든 지가 관건이다.”

-양자를 한 마디로 설명한다면.

“양자는 물리량의 최소단위를 일컫는다. 에너지든, 운동량이든 최소의 단위를 뜻한다.”

https://www.inews24.com/view/1564433