Continuously control of polarization via electrically driven long-distance superlubric sliding
이 논문은 전기적으로 구동되는 슬라이딩을 통해 연속적으로 제어 가능한 수직 분극을 가능하게 하여, 인공 시냅스 소자에 이상적인 초저스위칭 장벽과 큰 이온 변위를 달성하는 측면 이종 접합 이중층에서의 장거리 초윤활 강유전성을 위한 새로운 설계를 제안한다.
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고체 재료의 미시 세계에서 과학자들은 오랫동안 두 가지 겉보기에 모순되는 행동에 매료되어 왔습니다. 하나는 재료가 특정 방향으로 전하를 유지할 수 있는 능력이고, 다른 하나는 두 표면이 거의 마찰 없이 서로 미끄러져 지나갈 수 있는 능력입니다. 강유전성(ferroelectricity)이라고 알려진 첫 번째 행동은 위 또는 아래를 가리키는 작은 내부 나침반과 같으며, 이는 컴퓨터 메모리에 데이터를 저장하는 데 필수적인 특성입니다. 전통적으로 이 나침반을 뒤집기 위해서는 재료 내부의 원자들이 위치를 옮기도록 강제해야 하므로 상당한 에너지의 밀어붙임이 필요합니다. 두 번째 행동인 초윤활(superlubricity)은 두 원자 층이 패턴이 일치하지 않도록 쌓여, 마치 마찰이 없는 표면 위에 떠 있는 것처럼 서로 미끄러지는 현상입니다. 수년간 연구자들은 이 두 아이디어를 결합하기 위해 고군분투해 왔습니다. 그들은 전기적 상태를 바꾸기 위해 부드럽게 미끄러질 수 있는 시스템을 원했지만, 이전의 시도들은 아주 작은 바늘과 같은 기계적 도구를 사용하여 층을 밀어내는 방식에 의존했습니다. 이러한 접근 방식은 실용적인 용도로 쓰기에는 너무 투박했으며, 전기 스위치를 뒤집기 위해 필요한 에너지는 여전히 높게 유지되었습니다.
화중과기대학(Huazhong University of Science and Technology)의 연구팀은 이제 이 간극을 메우는 새로운 설계를 제안하여, 단순히 낮은 전압만으로 구동되는 부드럽고 장거리적인 미끄러짐을 통해 전기를 제어하는 방법을 제시했습니다. 원자들이 제자리에서 꿈틀거리도록 강요하는 대신, 그들의 개념은 전체 재료 시트가 서로를 지나 미끄러지는 것에 의존합니다. 그들은 두 개의 얇은 재료 층이 옆으로 꿰매어져 접합부를 형성하는 장치를 구상합니다. 그 위에 유사한 두 번째 층을 배치하면, 이 층들이 겹치는 방식이 위 또는 아래를 가리키는 전기적 전하를 생성합니다. 부드러운 수직 전기장을 가함으로써, 상부 층이 하부 층 위를 연속적으로 미끄러지게 만들 수 있습니다. 층들이 초윤합 상태로 설계되었기 때문에, 이 미끄러짐은 저항이 거의 없이 발생합니다. 상부 층이 움직임에 따라 서로 다른 겹침 패턴의 비율이 변하며, 이는 결과적으로 전기적 전하의 세기와 방향을 부드럽게 조절합니다. 이를 통해 재료는 단순히 '켜짐' 또는 '꺼짐' 상태가 아니라, 수많은 중간 상태로 존재할 수 있습니다.
연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 아이디어를 테스트했으며, 질화붕소가 결합된 그래핀과 같은 이차원 재료의 특정 조합에 집중했습니다. 그들의 계산에 따르면, 이 시스템에서 전기적 상태를 전환하는 데 필요한 에너지 장벽은 믿기 힘들 정도로 작아져 마이크로 전자볼트(micro-electronvolts) 수준까지 떨어집니다. 이는 기존의 강유전체 재료에서 에너지 비용이 훨씬 높은 것과 비교하면 극적인 감소입니다. 그들의 모델에서 미끄러짐은 0.5볼트 정도로 매우 낮은 수직 전압에 의해 구동될 수 있으며, 이는 높은 전압이나 현미경 팁으로 물리적으로 찌르는 방식이 필요했던 이전 방법들과는 극명한 대조를 이룹니다. 또한 시뮬레이션은 이 과정에 관여하는 원자들이 이 유형의 전기적 스위칭에서 보기 드문 매우 긴 거리를 이동할 수 있음을 보여줍니다. 이 긴 거리의 이동은 기존 재료에서 보이는 미세한 변화를 훨씬 뛰어넘는 것입니다. 이러한 장거리 이동은 전기 신호를 연속적으로 조정할 수 있게 하여, 인간의 뇌에서 발견되는 복잡한 다단계 연결을 모방할 수 있는 안정적인 상태의 스펙트럼을 만들어냅니다.
현재의 작업은 물리적 실험보다는 상세한 컴퓨터 모델링에 의해 뒷받받되는 이론적 제안이지만, 이러한 장치를 만드는 데 필요한 재료는 이미 존재합니다. 과학자들은 실험실에서 그래핀과 질화붕소, 그리고 다른 이차원 재료들의 조합으로 측면 접합부를 성공적으로 성장시켜 왔습니다. 연구진은 그들이 설명하는 원리가 전하를 운반하는 능력이 있는 전이 금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides)를 포함한 매우 다양한 시스템에 적용될 수 있다고 지적합니다. 또한 그들은 이 설계를 단일 재료 내에서 양(+)과 음(-)의 전기적 특성이 만나는 영역인 PN 접합을 사용하는 방식으로도 조정할 수 있다고 제안합니다. 이러한 시나리오에서 미끄러짐 운동은 접합부의 국부적인 전기장에 의해 구동되어, 더욱 효율적인 제어를 가능하게 할 수 있습니다. 연구팀은 이러한 장치의 안정성이 재료 층 자체의 강직성에 달려 있으며, 이를 통해 미끄러지는 층이 상온에서의 열적 요동으로 인해 멈추거나 정렬을 잃지 않도록 보장한다고 강조합니다.
이 설계의 함의는 단순한 데이터 저장을 넘어섭니다. 단 두 개의 상태가 아닌 연속적인 전기적 상태를 유지할 수 있는 재료를 만들 수 있는 능력은 인공 시냅스 소자를 향한 유망한 경로를 제공합니다. 이러한 소자는 정보를 학습하고 처리하기 위해 여러 단계로 강도를 조절할 수 있는 인간 뇌의 시냅스를 모방하도록 설계되었습니다. 많은 상태 사이의 부드럽고 낮은 에너지 전이를 가능하게 함으로써, 제안된 초윤활 미끄러짐 메커니즘은 더 빠르고 에너지 효율적인 차세대 컴퓨팅 하드웨어의 토대를 제공할 수 있습니다. 연구진은 시뮬레이션이 이러한 결과를 예측하고 있지만, 진정한 시험은 실험가들이 이러한 장치를 실제로 구축하고 측정할 때 이루어질 것이라고 언급합니다. 만약 성공한다면, 이 연구는 전기를 제어하는 것이 원자를 강제로 점프시키는 것이 아니라, 마찰이 없는 풍경 위로 부드럽게 미끄러지도록 유도하는 것임을 입증함으로써 해당 분야의 주요 난제를 해결하게 될 것입니다.
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