양자 기술은 큰 가능성을 갖고 있지만 복잡성도 내포하고 있습니다. 양자 기술은 향후 수십 년 동안 일련의 기술 발전을 가져와 더 작고 더 정확한 센서, 더 강력하고 안전한 통신 네트워크, 더 큰 용량의 컴퓨터를 제공할 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 현재 컴퓨팅 기술의 능력을 뛰어넘어 신약과 재료의 신속한 개발, 금융 시장 통제, 일기 예보 개선에 도움이 될 것입니다.
이러한 장점을 실현하려면 중요한 양자물리적 효과를 나타내는 소위 양자 물질이 필요합니다. 그래핀은 그러한 재료 중 하나입니다. 이 2차원 구조 형태의 탄소는 초고장력, 열 및 전기 전도성, 특정 양자 효과와 같은 특이한 물리적 특성을 가지고 있습니다. 이미 2차원인 이 물질에 리본 모양을 부여하는 등 추가로 제한하면 제어 가능한 다양한 양자 효과가 생성됩니다.
이것이 바로 Mickael Perrin 팀이 연구에서 활용한 것입니다. 수년 동안 Michel Calame이 이끄는 Empa 나노계면 수송 연구소의 과학자들은 그래핀 나노리본에 대한 연구를 수행해 왔습니다. "그래핀 나노리본은 그래핀 자체보다 훨씬 더 매력적입니다"라고 Perrin은 설명합니다. "그래핀 나노리본의 길이와 폭, 가장자리의 모양을 변경하고 다른 원자를 추가함으로써 다양한 전기적, 자기적, 광학적 특성을 부여할 수 있습니다."
매우 정확함 - 단일 원자까지
유망한 나노리본을 연구하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 나노리본의 폭이 좁을수록 양자 특성이 더욱 두드러지지만 동시에 개별 나노리본을 얻는 것도 더 어렵습니다. 이는 이 양자 물질의 고유한 특성과 가능한 응용을 이해하고 이를 집단 효과와 구별하는 데 필요합니다.
최근 Nature Electronics 저널에 발표된 새로운 연구에서 Perrin과 Empa 연구원 Jian Zhang은 국제 팀과 함께 처음으로 길고 원자적으로 정밀한 개별 그래핀 나노리본에 성공적으로 접근했습니다. Zhang Jian은 "탄소 원자 9개 너비인 그래핀 나노리본의 폭은 1나노미터에 불과하다"고 말했다. 단 하나의 나노리본만 접촉되도록 하기 위해 연구진은 비슷한 크기의 전극을 사용했다. 그들이 사용한 탄소 나노튜브도 직경이 1나노미터에 불과했다"고 말했다.
이러한 정교한 실험에서는 정확성이 핵심입니다. 첫 번째는 소스 자료입니다. 연구진은 Roman Fasel이 이끄는 Empa의 nanotech@Surfaces 연구소와의 장기적이고 긴밀한 협력을 통해 그래핀 나노리본을 얻었습니다. "Roman Fasel과 그의 팀은 오랫동안 그래핀 나노리본에 대해 연구해 왔으며 단일 전구체 분자로부터 원자 정밀도로 다양한 유형의 그래핀 나노리본을 합성할 수 있습니다"라고 Perrin은 설명합니다. 전구체 분자는 마인츠에 있는 막스 플랑크 고분자 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)에서 나왔습니다.
기술 발전을 촉진하기 위해 종종 요구되는 것처럼 학제간 연구가 핵심이며 다양한 국제 연구 그룹이 참여하여 각각 자신의 전문 지식을 가져옵니다. 탄소 나노튜브는 Peking University의 연구 그룹에 의해 재배되었으며 결과를 해석하기 위해 Empa 연구원은 University of Warwick의 컴퓨터 과학자와 협력했습니다.
개별 탄소 스트립을 나노튜브와 접촉시키는 것은 연구자들에게 큰 어려움을 안겨줍니다. 탄소 나노튜브와 그래핀 나노리본은 각각 서로 다른 기판에서 성장한다고 Zhang은 설명했습니다. "먼저 나노튜브를 장치 기판으로 옮겨 금속 전극과 접촉시켜야 합니다. 그런 다음 고해상도 전자빔 리소그래피를 사용하여 이를 절단하여 두 개의 전극으로 분리합니다. 마지막으로 나노튜브를 두 개의 전극으로 절단합니다." 테이프는 동일한 기판으로 전송됩니다. 정밀도가 핵심입니다. 기판이 조금만 회전해도 접촉 성공 가능성이 크게 줄어듭니다. Lüschlikon에 있는 IBM 연구 센터 Binnig and Rocher의 고품질 인프라에 액세스하는 것은 이 기술을 테스트하고 구현하는 데 매우 중요합니다."
컴퓨터에서 에너지 변환기까지
과학자들은 전하 이동 측정을 통해 실험의 성공을 확인했습니다. 양자 효과는 일반적으로 저온에서 더 두드러지기 때문에 절대 영도에 가까운 고진공 환경에서 측정을 수행했습니다. 그러나 그는 그래핀 나노리본의 특히 유망한 또 다른 특성을 재빨리 덧붙였습니다. "이 나노리본의 크기가 매우 작기 때문에 우리는 양자 효과가 매우 강력하고 실온에서도 관찰될 수 있을 것으로 기대합니다." 연구원은 이를 통해 복잡한 냉각 인프라 없이 양자 효과를 적극적으로 활용하는 칩을 설계하고 운영할 수 있을 것이라고 말했습니다.
이 프로젝트에 참여하고 있는 워릭대학교(University of Warwick)의 하테프 사데기(Hatef Sadeghi) 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. "이 프로젝트는 단일 나노리본 장치의 실현을 가능하게 합니다. 이는 전자와 포논이 나노 규모에서 어떻게 행동하는지와 같은 근본적인 양자 효과에 대한 연구를 가능하게 할 뿐만 아니라 이 효과를 양자 스위칭, 양자 감지 및 양자 에너지 변환 응용 분야에 활용할 수도 있습니다."
그래핀 나노리본은 아직 상업적으로 응용될 준비가 되어 있지 않으며, 아직 해야 할 연구가 많이 남아 있습니다. 후속 연구에서 Zhang과 Perrin은 단일 나노스트립에서 서로 다른 양자 상태를 조작하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한, 그들은 직렬로 연결된 두 개의 나노리본을 기반으로 소위 이중 양자점을 형성하는 장치를 만들 계획입니다. 이러한 회로는 양자 컴퓨터의 가장 작은 정보 단위인 큐비트 역할을 할 수 있습니다. 또한 Perrin은 최근 유럽 연구 위원회(ERC)로부터 시작 보조금을 받고 스위스 국립 과학 재단(SNSF)으로부터 Sccellenza Professional Fellowship을 받았으며, 그곳에서 나노리본을 효율적인 에너지 변환기로 사용할 계획입니다. 취리히 공과대학(ETH Zurich)의 취임 강연에서 그는 열 에너지를 거의 잃지 않으면서 온도 차이를 활용하여 전기를 생산할 수 있는 세상, 즉 진정한 양자 도약을 상상했습니다.
국제 협력
여러 연구 그룹이 프로젝트에 중요한 기여를 했습니다. 그래핀 나노리본은 마인츠에 있는 Max-Planck 고분자 연구 연구소의 Klaus Müllen 그룹이 제공한 전구체 분자로부터 Roman Fasel이 이끄는 Empa Nanotechnology@Surface 연구소에서 성장했습니다.
이러한 나노리본은 Mickael Perrin의 연구 그룹을 포함하고 있는 Michel Calame가 이끄는 Empa의 나노규모 계면 수송 연구소 구성원에 의해 나노제조 장치에 통합되었습니다. 이 특정 연구에 필요한 정밀하게 배열된 고품질 탄소 나노튜브는 북경 대학교의 Zhang Jin 연구 그룹에서 제공했습니다. 마지막으로, 연구 결과를 해석하기 위해 Empa 연구진은 Hatef Sadeghi의 지도 하에 University of Warwick의 계산 과학자들과 협력했습니다.