물리학 스핀전자공학의 다이아몬드 시대가 열리다

 

다이아몬드로 만들어진, 전자의 스핀을 응용한 양자전자공학 디바이스로 실온에서 움직이는 양자컴퓨터가 가능할지도 모른다.

 

글 David D. Awschalom, Ryan Epstein, Ronald Hanson

 다이아몬드는 최고의 기록들을 보유하고 있다. 다이아몬드는 월등한 경도(hardness)에, 다른 어떤 고체물질보다 높은 열전도율(thermal conductivity), 자외선 투과도(transparency)를 지니고 있다. 게다가 고순도(high-purity) 단결정(single-crystal) 합성 다이아몬드를 육성하는 기술과, 적당한 불순물(impurity)을 첨가하는 기술(도핑(doping))의 발달로, 최근 다이아몬드는 고체전자공학(solid-state electronics)에서 훨씬 더 매력적인 재료가 되고 있다. 순수한 다이아몬드는 절연체지만, 도핑을 하면 특수한 성질을 지닌 반도체가 될 수 있다. 이런 다이아몬드는 자외선 검출, 자외선 발광다이오드(light-emitting diode)와 자외선발광 광학, 고출력 마이크로파 전자공학(microwave electronics)에 이용될 수 있다. 그러나 정작 많은 연구자들을 흥분시켰던 응용 분야는 양자스핀전자공학(quantum spintronics)이다. 이를 통해, 보통 컴퓨터로는 불가능하다고 생각되는 성능들과 극보안통신(Ultra-secure communication)을 구현할 수 있는 양자컴퓨터(quantum computer)가 현실화될 수 있을 듯하기 때문이다.

스핀전자공학은 전자공학이 발전된 한 형태로, 전자의 전하(보통의 전자공학에서 이용)만이 아니라, 전자를 미세한 막대자석과 같이 행동하게 만드는 스핀(spin)이라는 특성까지도 이용한다. 우리의 컴퓨터 속에도 아마 최초의, 그리고 가장 초보적인 스핀전자공학의 상업적 응용이 벌써 들어있을 것이다. 1998년부터 하드드라이브(hard-drive) 판독헤드(read head)에는, 디스크에 저장된 데이터의 0 또는 1을 나타내는 미시적인 자기영역을 탐색하기 위해 거대자기저항(giant magnetoresistance)이라는 스핀전자공학의 한 효과가 이용되었다.

앞으로 수 년 내에 신형 컴퓨터에서 찾아볼 수 있을 것으로 생각되는 또 다른 스핀전자공학 디바이스(device)는 자기저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random-access memory, MRAM)다. 하드드라이브와 마찬가지로 MRAM도 정보를 자기화(magnetization)하여 저장하기 때문에 비휘발성(nonvolatile)-디바이스의 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않음-이다. 데이터 판독은 전하에 기초한 다른 메모리와 똑같이 전기 작용으로 이루어진다[David D. Awschalom와 Michael E. Flatté, Nitin Samarth의 “Spintronics" 참고. Scientific American, 2002년 6월]. 2006년, 모토로라(Motorola)의 스핀오프(spin-off)인 프리스케일 세미컨덕터(Free-scale Semiconductor) 사가 최초로 MRAM을 팔기 시작했다.

비휘발성 메모리칩은 매번 컴퓨터를 켤 때마다 귀찮게 하드드라이브로부터 프로그램들을 다시 @로딩(loading, 필요한 프로그램이나 데이터를 보조 기억 장치나 입력 장치로부터 주기억 장치로 옮기는 일.)할 필요가 없도록 해준다.

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●경도(hardness) ●열전도율(thermal conductivity) ●투과도(transparency)

●고체전자공학(solid-state electronics) ●고순도(high-purity)

●단결정(single-crystal) ●불순물(impurity) ●도핑(doping)

●발광다이오드(light-emitting diode) ●마이크로파 전자공학(microwave electronics)

●양자스핀전자공학(quantum spintronics) ●극보안통신(Ultra-secure communication)

●양자컴퓨터(quantum computer) ●하드드라이브(hard-drive)  ●판독 헤드  (read head)

●거대자기저항(giant magnetoresistance) ●디바이스(device)

●자기저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random-access memory)

●자기화(magnetization) ●비휘발성(nonvolatile) ●스핀오프(spin-off)

●재구성이 가능(reconfigurable) ●스핀 분극화된(spin-polarized) ●스핀전류(spin current)

●스핀 홀효과(spin Hall effect) ●양자정보처리(Quantum information processing)

●양자비트(quantum bit) ●큐빗(qubit) ●양자중첩(quantum superposition)

●병렬처리(parallel processing) ●유효숫자 인수분해(efficient number factoring)

●암호코드(cryptographic code) ●초고진공(ultrahigh vacuum) ●회로기판(substrate)

●고체양자컴퓨팅(solid-state quantum computing) ●어드레스(address) 

●논리게이트(logic gate) ●재료과학(materials science)

●화학증창법(chemical vapor deposition) ●에너지띠(energy band)

●원자가띠(valence band) ●전도띠(conduction band) ●띠간격(band gap)

●전자볼트(electron volt) ●에너지준위(energy-level) ●발광현상(fluorescence)

●공공(void) ●질소-공공 센터(nitrogen-vacancy center)

●양자암호기술(quantum cryptography) ●펄스(pulse)

●단일광자영상기술(single-photon imaging technique) ●암흑스핀(dark spin)

●열들뜸상태(thermal excitation) ●스핀-궤도결합(spin-orbit coupling)