초고속 순수 광학 트랜지스터를 위한 새로운 후보 물질인 실리콘 나노입자

이성용 기자 | 기사입력 2015/09/11 [16:49]

초고속 순수 광학 트랜지스터를 위한 새로운 후보 물질인 실리콘 나노입자

이성용 기자 | 입력 : 2015/09/11 [16:49]

▲ 그림 설명: 입사 레이저 펄스의 세기에 따른 모드들 사이에서 스위치하는 실리콘 나노입자의 상상도.     © 특허뉴스
ITMO 대학 나노포토닉스와 메타물질 학과 물리학자들은 단일 실리콘 나노입자를 기반으로 하는 트랜지스터의 광학 아날로그 디자인 실현성을 실험적으로 시현했다. 트랜지스터가 컴퓨터 회로들의 가장 기본적인 성분들 중 하나이기 때문에, 이 연구의 결과들은 트랜지스터가 동시에 매우 작고 초고속이어야 하는 광학 컴퓨터들의 개발에 매우 중요하다. 이 연구는 "Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron–Hole Plasma"라는 제목으로 과학 저널 나노 레터스에 최근 게재되었다.
단일 전하들로 전자들을 이용하는 현대 컴퓨터의 성능은 일반적으로 0.1-1 나노초 근처로 트랜지스터를 촉발하는데 요구되는 시간에 의해 매우 제한되고 있다. 그러나, 차세대 광학 컴퓨터는 초당 트랜지스터를 통해 지나가는 정보의 양을 매우 증가시키는 유용한 신호를 운반하기 위해 광자들에 의존한다. 이 경우, 초고속, 소형 순수 광학 트랜지스터의 개발이 광학 컴퓨팅의 개발에서 수단이 되는 것으로 고려되고 있다. 이런 나노소자는 수 피코초 내에서 외부 조절 빔의 방법에 의해 광학 신호의 진행을 과학자들이 조절할 수 있게 해 줄 것이다.
이 연구에서, 상트 페테르부르크 레베데프 물리 연구소와 아카데믹 대학, ITMO 대학 러시아 과학자 그룹은 하나의 실리콘 나노입자 만을 이용하여 프로토타입을 만들도록 이런 광학 트랜지스터를 디자인하기 위해 완벽히 새로운 접근법을 개발했다.
과학자들은 강력한 초고속 레이저 펄스를 이용하여 실리콘 나노입자에 조사하여 이 실리콘 나노입자의 특성을 역학적으로 변화시킬 수 있었다. 이 레이저는 밀도 높은 초고속 광여기를 제공하고 수 피코초 동안 실리콘의 유전율을 변화시키는 전자-홀 플라즈마를 빠르게 재결합하도록 조절 빔 역할을 한다. 나노입자의 광학 특성에서 이런 급격한 변화는 입사 광이 산란되는 방향을 조절할 수 있는 가능성을 열고 있다. 예를 들어, 나노입자 산란 방향은 입사 조절 레이저 펄스의 세기에 따른 피코초 시간 크기에서 앞뒤로 변화시킬 수 있다. 초고속 스위칭 개념은 순수 트랜지스터의 디자인을 위해 매우 중요하다.
일반적으로 이 분야의 연구원들은 전체적으로 논리적인 나노입자들의 흡수를 조절하는 방법으로 나노크기 순수 광학 트랜지스터들을 디자인하는데 초점을 맞추고 있다. 높은 흡수 모드에서, 광 신호는 나노입자에 의해 흡수되고 지나가지 못하지만 이 모드 외에서 광은 나노입자를 지나 전파하게 된다. 그러나 이 모드는 어떤 결정적인 결과들을 얻지 못했다고 나노포토닉스와 메타물질 학과 선임 연구원이며 이 연구의 리더 저자인 세르게이 마카로프 박사가 설명했다. 그리고 그는 자신들의 아이디어가 나노입자의 흡수 특성을 조절하지 않고 산란을 조절한다는 점이 다른 연구들과 다르다고 말했다. 자세히 말하면, 나노입자는 역방향으로 모든 입사광을 거의 일반적으로 산란하지만 일단 조절 펄스에 의해 이를 조사하면 광의 진행 방향은 재구성되고 광이 순방향으로 산란되기 시작한다.
광학 트랜지스터를 위한 물질로의 실리콘 선택은 신중히 이루어졌다. 광학 트랜지스터 개발은 대량 생산에 적당한 저가 물질의 이용이 요구되고 동시에 과열되지 않고 밀도 높은 전자-홀 플라즈마의 영역 내 수 피코초 동안 광학 특성을 변화시킬 수 있어야 한다.
나노입자를 비활성화시키기 위한 시간은 수 피코초이지만 활성화시키기 위해 요구되는 시간은 수 십 펨토초이다. 최근 연구원들은 단일 실리콘 나노입자가 순수 광학 트랜지스터의 역할을 할 수 있는 것을 확실히 나타내는 실험 데이타를 얻었다. 현재 연구원들은 레이저 조절 빔으로 새로운 실험들을 수행할 계획이라고 나노포토닉스와 메타물질 학과장이며 이 논문의 공저자인 파벨 벨로프 박사가 전했다.<출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
 
 
 
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