Centimeter-scale nanomechanical resonators with low dissipation

나노미터 단위로 측정되는, 인간의 머리카락보다 수천 배 더 가는 진동하는 줄을 과학자들이 만드는 미세 기계의 세계를 상상해 보십시오. 이것들은 기타의 줄이나 괘종시계의 추와 같은 미세한 공진기(mechanical resonators)입니다. 기타 줄과 마찬가지로, 이 작은 줄 중 하나를 튕기면 진동합니다. 과학자들이 가장 중요하게 생각하는 "마법의 숫자"는 "품질 계수"(또는 Q factor)라고 불립니다. 이것을 줄이 튕겨진 후 얼마나 오랫동안 노래를 유지하는지에 대한 척도로 생각하십시오. 낮은 Q 계수는 즉시 멈춰버리는 둔탁한 툭 소리와 같고, 높은 Q 계수는 아주 오랫동안 울려 퍼지는 수정처럼 맑은 음과 같습니다.

이것이 왜 중요할까요? 이 작은 기계가 에너지를 잃지 않고 더 오래 진동할 수 있을수록, 그 기계는 더 민감해지기 때문입니다. 이 초민감 기계들은 중력의 아주 미세한 속삭임, 질량의 아주 작은 변화, 또는 심지어 신비로운 암흑 물질의 끌림까지도 감지할 수 있는 궁극의 탐지기 역할을 할 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 딜레마에 빠져 있었습니다. 길고 맑은 울림을 얻으려면 보통 두껍고 무거운 줄(거시적인 와이어처럼)이 필요하지만, 컴퓨터 칩에 들어갈 만큼 기계를 작게 만들려면 매우 가는 줄이 필요합니다. 문제는, 이 줄을 믿을 수 없을 정도로 길면서 동시에 매우 가늘게 만드는 것이, 1마일 길이의 거미줄로 현수교를 건설하려는 것과 같이 매우 어렵다는 점입니다. 그 줄은 끊어지거나 바닥에 달라붙기 쉽기 때문입니다.

이 논문은 엔지니어 팀이 어떻게 마침내 3센티미터 길이에 70나노미터 두께인 "거미줄 다리"를 구축했는지에 대한 이야기를 들려줍니다. 그들은 단순히 추측하여 만든 것이 아니라, 이를 설계하기 위해 영리한 컴퓨터 전략을 사용했고, 부서지지 않고 제작하기 위해 드라이아이스와 같은 섬세한 건식 제조 공정을 사용했습니다. 그 결과, 상온에서 7시간 이상 계속해서 울려 퍼질 정도로 명확하게 진동하는 미세한 현이 탄생했습니다. 이 성과는 거대하고 무거운 와이어의 거시적 세계와 미세한 칩의 미시적 세계 사이의 간극을 메우며, 놀라도록 민감하면서도 단일 컴퓨터 칩에 담기 쉬운 센서로 가는 문을 열어주었습니다.

과제: 길고, 가늘고, 깨지기 쉬운 것

오랫동안 과학자들에게는 두 개의 분리된 세계가 있었습니다. 한쪽에는 수십 센티미터 길이에 마이크로미터 두께를 가진 거대한 중력 탐지기에 사용되는 거대한 줄들이 있는 "거인"의 세계가 있었습니다. 이들은 튼튼하고 오랫동안 진동하지만, 컴퓨터 칩에 들어갈 만큼 작지 않습니다. 다른 한쪽에는 칩 위의 나노미터 두께이지만 보통 밀리미터 길이인 작은 줄들이 있는 "난쟁이"의 세계가 있었습니다. 이들은 칩에 적합하지만, 너무 짧아서 거인들만큼 명확하게 진동하지 못합니다.

꿈은 이 둘을 결합하는 것이었습니다. 즉, 거인들처럼 길면서(센티미터 단위) 난쟁이들처럼 가는(나노미터 단위) 줄을 만드는 것입니다. 이것은 "고종횡비(high-aspect-ratio)" 소자, 즉 두께에 비해 믿을 수 없을 정도로 긴 구조물을 만들어낼 것입니다. 문제는, 이 줄들을 더 길고 더 가늘게 만들수록 매우 취약해진다는 점입니다. 이들은 끊어지기 쉽거나, 더 심하게는 아래 표면에 달라붙어(이를 "스티션(stiction)" 문제라고 합니다) 젖은 국수처럼 무너져 내리기 쉽습니다. 게러, 이들을 설계하는 것은 컴퓨터에게도 악몽입니다. 이 정도로 상세한 3센티미터 길이의 줄을 시뮬레이션하는 데는 너무 많은 컴퓨팅 파워가 소모되어 설계 과정을 매우 느리게 만드는 병목 현상이 발생합니다.

해결책: 스마트한 설계와 부드러운 해방

팀은 두 가지 전략, 즉 스마트한 컴퓨터 뇌와 부드러운 제조 손을 사용하여 이 문제를 해결했습니다.

첫째, 그들은 변경 사항을 테스트할 때마다 몇 주씩 기다리지 않고 완벽한 모양을 설계해야 했습니다. 그들은 "다중 충실도 베이지안 최적화(multi-fidelity Bayesian optimization)"라고 불리는 기술을 사용했습니다. 당신이 완벽한 경주용 자동차를 설계하려고 한다고 상상해 보십시오. 어떤 변화를 테스트할 때마다 매번 크고 비싼 프로토타입을 만드는 대신, 먼저 작고 저렴한 모델 자동차를 만듭니다. 만약 작은 모델이 어떤 변화가 차를 더 빠르게 만들 것이라고 제안한다면, 그 특정 변화를 크고 비싼 자동차에 테스트하는 것입니다. 팀은 시뮬레이션에서도 이 방식을 사용했습니다. 그들은 짧은(3밀리미터) 줄에 대한 빠르고 저해상도인 시뮬레이션을 사용하여 설계를 유도했고, 정말 좋은 아이디어를 찾았다고 생각될 때만 긴(3센티미터) 줄에 대한 느리고 고해상도인 시뮬레이션을 사용했습니다. 이 "스마트한 추측" 덕분에 그들은 단순히 무작위로 추측하거나 느린 시뮬레이션만을 사용했을 때보다 20% 더 나은 설계를 찾아낼 수 있었습니다.

그들이 찾아낸 설계는 "포노닉 결정(phononic crystal)" 줄이었습니다. 이것은 줄의 길이를 따라 구멍과 너비가 특정한 패턴을 가진 것으로, 마치 특정 프렛(fret)이 있는 악기와 같습니다. 이 패턴은 진동을 줄의 중간에 가두어 에너지가 주로 소실되는 양 끝단으로 새어 나가는 것을 막아줍니다.

둘째, 그들은 부서지지 않고 실제로 이를 제작해야 했습니다. 이러한 미세한 줄을 만드는 전통적인 방법은 줄 아래의 재료를 액체 화학 물질로 씻어내는 것입니다. 하지만 3센티미터 길이에 머리카락처럼 가는 줄의 경우, 액체의 표면 장력이 줄을 찌그러뜨릴 것입니다. 대신, 팀은 "건식 해방(dry release)" 기술을 사용했습니다. 그들은 진공 챔버 안에서 특수 가스(SF6)를 사용하여 줄 아래의 실리콘을 깎아냈는데, 이는 마치 모래성에서 모래를 부드럽게 날려 보내는 보이지 않는 바람과 같았습니다. 줄이 자유로워지는 동안 바닥으로 무너지지 않도록, 그들은 줄 아래에 실리콘 기둥으로 된 작은 "비계(scaffolding)"를 세워 마지막 순간까지 줄을 지탱하게 했습니다. 이 섬세한 춤 덕분에 취약한 줄은 끊어지거나 달라붙지 않고 떠 있는 상태를 유지할 수 있었습니다.

결과: 며칠 동안 지속되는 울림

그들이 만든 창조물을 테스트했을 때, 결과는 놀라웠습니다. 그들은 3센티미터 길이의 70나노미터 두께의 줄을 진공 챔버 안에 넣고 살짝 툭 쳤습니다. 줄은 214킬로헤르츠의 주파수로 진동했습니다. 하지만 진짜 마법은 그것이 얼마나 오래 지속되었느냐 하는 점이었습니다.

팀은 진동이 얼마나 빨리 사라지는지를 나타내는 "링다운(ringdown)"을 측정했습니다. 그들의 최고의 장치는 7시간 넘게 진동을 유지했습니다. 이는 66억이라는 품질 계수(Q)에 해당합니다. 이를 비교해 보자면, 이는 상온에서 고체 표면에 고정된 기계적 공진기 중에서 지금까지 측정된 것 중 가장 높은 품질 계수입니다.

보통 이토록 맑고 오래 지속되는 울림을 얻으려면, 기계를 절대 영도 근처로 얼리거나 거의 빈 공간에 가까운 극도로 깊은 진공 상태에 두어야 합니다. 이 팀의 장치는 일반적인 칩 위에서 상온 상태로 이 놀라운 성능을 달려냈습니다. 다른 고성능 장치들(예: 부유하는 나노구체)은 작동하기 위해 100배 더 낮은 압력(더 깊은 진공)이 필요하지만, 이 고체 상태의 칩은 그러한 극한 조건보다 100배 더 높은 압력에서도 완벽하게 작동합니다. 이는 우리가 초민감한 진동을 얻기 위해 거대하고 비싼 냉각 장비나 초저압 진공이 필요하지 않으며, 손에 쥘 수 있는 크기의 칩으로도 가능하다는 것을 의미하므로 엄청난 도약입니다.

왜 중요한가

이 돌파구는 우리가 이제 물리 실험실에서 사용하는 거대하고 차가운 기계만큼 민감하면서도, 일상적인 기술에 통합될 수 있을 만큼 작은 센서를 구축할 수 있음을 시사합니다. 이 센티미터 규모의 나노 공진기들은 매우 미세한 힘을 감지하거나, 질량의 아주 작은 변화를 측정하거나, 심지어 암흑 물질의 소리를 듣는 데 사용될 수 있습니다. 이 "길고 가는" 구조를 안정적으로, 그리고 높은 수율(그들은 가장 좋은 칩에서 93%의 성공률을 보였습니다)로 만들 수 있음을 입증함으로써, 팀은 새로운 문을 열었습니다. 그들은 물리학의 법칙이 단지 매우 크거나 매우 작은 것에만 적용되는 것이 아니라, 최고의 장점들이 마침내 만날 수 있는 새로운, 미개척된 중간 영역에도 적용된다는 것을 보여주었습니다.