미네소타대학교 트윈 시티(Twin Cities) 연구팀은 에너지 소비를 획기적으로 줄이면서 더 큰 컴퓨팅 성능과 메모리 저장 용량을 생성할 수 있는 잠재력을 가진 고유한 토폴로지 반금속 재료 필름을 처음으로 합성했습니다. 또한 팀은 재료를 주의 깊게 연구하여 고유한 특성 뒤에 있는 물리학에 대한 중요한 통찰력을 얻었습니다.
이번 연구는 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.
최근 미국의 CHIPS 및 과학법(CHIPS and Science Act)에서 알 수 있듯이 반도체 제조를 늘리고 모든 곳에서 전자 장치에 전력을 공급하는 재료를 개발하는 데 사용되는 연구를 지원해야 할 필요성이 커지고 있습니다. 전통적인 반도체가 오늘날 대부분의 컴퓨터 칩 뒤에 있는 기술인 반면, 과학자와 엔지니어는 전자 제품을 더 좋고, 더 작고, 더 효율적으로 만들기 위해 더 적은 비용으로 더 많은 전력을 생산할 수 있는 새로운 재료를 항상 찾고 있습니다.
이 새로운 종류의 향상된 컴퓨터 칩을 위한 후보 재료 중 하나는 위상학적 반금속이라고 불리는 양자 재료 종류입니다. 이러한 물질의 전자는 다양한 방식으로 거동하여 전자 장치에 사용되는 일반적인 절연체 및 금속에서는 볼 수 없는 고유한 특성을 물질에 부여합니다. 따라서 이러한 재료는 스핀트로닉 장치에 사용하기 위해 연구되고 있습니다. 스핀트로닉 장치는 데이터를 저장하고 정보를 처리하기 위해 전하 대신 전자의 스핀을 사용하는 기존 반도체 장치의 대안입니다.
새로운 연구에서 미네소타 대학의 학제간 연구팀은 이러한 박막 재료를 성공적으로 합성하여 고성능 및 저에너지 소비 가능성을 입증했습니다.
"이 연구는 자기 도핑 전략을 사용하여 약한 위상 절연체에서 위상학적 반금속으로 전환하는 것이 가능하다는 것을 처음으로 보여줍니다"라고 논문의 수석 저자이자 McKnight 대학의 석좌 교수이자 미네소타 대학 전기 및 컴퓨터 공학과의 Robert Hartmann 석좌 교수인 Jianping Wang이 말했습니다. "우리는 에너지 소비를 줄이면서 전자 장치의 수명을 연장할 수 있는 방법을 찾고 있으며, 이 목표를 달성하기 위해 비전통적이고 색다른 방법을 사용하려고 노력하고 있습니다."
연구자들은 수년 동안 위상학적 물질을 연구해 왔지만, 미네소타 대학 팀은 이 반금속을 박막 형태로 만들기 위해 업계에서 호환되는 특허받은 스퍼터링 공정을 사용한 최초의 팀입니다. Wang은 그들의 프로세스가 산업과 호환되기 때문에 이 기술이 실제 장치를 만드는 데 더 쉽게 채택되고 사용될 수 있다고 말했습니다.
논문의 수석 저자이자 미네소타 대학 화학 공학 및 재료 과학 교수인 Andre Mkhoyan은 "우리는 휴대폰에서 식기 세척기, 전자 레인지에 이르기까지 일상 생활에서 전자 장치를 사용합니다. 모두 칩을 사용합니다. 모든 것이 에너지를 소비합니다"라고 말했습니다. "문제는 에너지 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가 하는 것입니다. 이 연구는 그 방향으로 나아가는 단계입니다. 우리는 유사하거나 더 나은 특성을 가지면서도 에너지 소비는 더 낮은 새로운 종류의 재료를 개발하고 있습니다."
연구자들은 이러한 고품질 소재를 만들었기 때문에 그 특성과 그것이 독특한 이유를 주의 깊게 분석할 수 있었습니다.
"물리학적 관점에서 볼 때, 이 연구의 주요 공헌 중 하나는 이 물질의 가장 기본적인 특성 중 일부를 연구할 수 있다는 것입니다."라고 논문의 수석 저자이자 미네소타 대학 전기 및 컴퓨터 공학과의 Paul Palmberg 부교수인 Tony Low가 말했습니다. "일반적으로 자기장을 가하면 재료의 세로 저항이 증가하지만 이 특정 토폴로지 재료에서는 세로 저항이 감소할 것으로 예측했습니다. 우리는 측정된 전송 데이터로 우리의 이론을 확증할 수 있었고 음의 저항이 존재한다는 것을 확인할 수 있었습니다."
Low, Mkhoyan, Wang은 10년 넘게 차세대 전자 장치 및 시스템을 위한 토폴로지 재료에 대해 협력해 왔습니다. 이 연구는 이론과 계산, 재료 성장과 특성화, 장치 제조에 대한 각자의 전문 지식이 결합되지 않았다면 불가능했을 연구입니다. Wang은 "이렇게 중요하고 도전적인 주제를 연구하려면 영감을 주는 비전뿐만 아니라 큰 인내심과 4개 분야에 걸친 헌신적인 팀원 그룹이 필요합니다. 이를 통해 이 기술을 실험실에서 산업으로 전환할 수 있을 것"이라고 말했습니다.