Observation of intrinsic transverse thermoelectricity in anisotropic semimetals

현대 전자 공학의 미시 세계에서 열은 지속적이고 파괴적인 손님이다. 컴퓨터 칩의 아주 작은 통로를 통해 전류가 흐를 때 열이 발생하지만, 이 열은 결코 균일하게 퍼지지 않는다. 대신, 열은 '핫스팟(hotspots)'이라 불리는 특정하고 강렬한 지점에 집중된다. 이러한 국부적인 고온 영역은 장치의 성능을 저하시키고, 수명을 단축하며, 에너지를 낭비하게 만든다. 수십 년 동안 이 열을 관리하기 위한 표준적인 접근 방식은 열을 근원으로부터 멀리 이동시키는 것이었으며, 대개 전기 전류와 같은 방향으로 작동하는 냉각 시스템을 사용해 왔다. 그러나 이 방법에는 근본적인 한계가 있다. 그것은 열의 흐름을 단순한 직선 과정으로 취급한다는 점이다. 즉, 전기를 한 방향으로 밀어 넣으면 열도 그와 같은 경로를 따라갈 것이라고 가정하는 것이다. 이러한 관점은 특정 재료에서 발견되는 더 복잡한 현실, 즉 전기와 열의 관계가 단일 선이 아니라 다방향적인 지도와 같다는 사실을 간과한다. 만약 과학자들이 열을 회로의 가장 중요한 부분으로부터 옆으로 비껴가도록 조종하는 법을 배울 수 있다면, 그들은 이전보다 훨씬 더 효과적으로 장치를 냉각할 수 있을 것이다.

푸단 대학교의 연구팀은 이제 이러한 종류의 '옆으로 향하는 조종(sideways steering)'이 강력한 외부 자석 없이도 가능하다는 것을 입증했을 뿐만 아니라, 열 흐름을 조작하는 데 일반적으로 필요한 자석 없이도 이를 달성할 수 있음을 보여주었다. 연구진은 준금속(semimetal)이라 불리는 특정 결정체를 사용하여, 한 방향으로 흐르는 전류가 완전히 다른 방향에서 냉각 효과를 일으키는 현상을 관찰했다. 이 발견은 열과 전기가 반드시 함께 이동해야 한다는 오랜 가설에 도전한다. 실험에서 과학자들은 종이 뭉치처럼 약한 힘으로 결합된 원자 층들로 구성된 Td-WTe2 및 TaIrTe4라는 재료를 사용했다. 이 재료들은 원자들이 배열된 방식에 따라 보는 방향에 따라 다르게 행동하는 독특한 내부 구조를 가지고 있다. '이방성(anisotropy)'이라고 알려진 이 성질은 재료의 전기 전도 능력과 열 생성 능력이 모든 방향에서 균일하지 않음을 의미한다.

연구진은 이 결정들을 사용하여 전기 전류가 통과하도록 강제된 좁은 채널을 가진 미세한 소자를 제작했다. 그런 다음 매우 민감한 열 현미경을 사용하여 나노 스케일에서 온도가 어떻게 변하는지 관찰했다. 일반적인 설정에서는 전선에 전류가 흐르면 '줄 가열(Joule heating)'이라는 과정에 의해 전선이 뜨거워진다. 연구진은 이 가열 현상을 예상했지만, 동시에 전하 운반체(전기를 운반하는 입자)의 움직임이 열을 흡수하거나 방출할 수 있는 '열전 효과(thermoelectric effect)'라는 다른 신호도 찾았다. 대부분의 재료에서 이 효과는 전류와 동일한 선상에서 발생한다. 그러나 연구진이 사용한 재료의 독특한 결정 구조 덕분에, 팀은 열 반응이 분리되어 있다는 것을 발견했다. 원자 열(atomic rows)에 대해 특정 각도로 결정을 통해 전기를 보냈을 때, 열은 단순히 전류를 따라가는 데 그치지 않았다. 대신, 전류의 흐름에 수직인 방향으로 뚜렷한 냉각 효과가 나타났다.

이러한 측면 냉각이 실제 물리적 효과인지 아니면 단순히 장비의 오류인지 증명하기 위해, 연구팀은 모든 방향에서 동일하게 행동하는 '등방성(isotropic)' 재료와 결과를 비교했다. 이러한 대조 실험에서 냉각 효과는 사라졌으며, 이는 이 현상이 결정의 방향성에 전적으로 의존한다는 것을 확인시켜 주었다. 연구진은 실험을 더 발전시켜, 냉각 효과가 열이 가장 강렬한 곳에 정확히 집중되도록 장치를 설계했다. 그들은 이 특정 영역에서 냉각 효과가 전기로 인한 자연스러운 가열을 극복할 만큼 강력하다는 것을 발견했다. 이는 장치의 가장 뜨거운 부분의 온도가 실제로 주변 실온보다 낮아졌음을 의미한다. Td-WTe2 재료에서는 온도가 약 60밀리켈빈(mK) 떨어졌고, TaIrTe4 재료에서는 약 100밀리켈빈 정도 떨어졌다. 이 수치들이 작아 보일 수 있지만, 미세한 온도 변화가 실패를 초래할 수 있는 나노 스케일 전자 공학의 세계에서 이는 상당한 성과이다.

이 성공의 핵심은 외부 도구가 아닌 재료 자체의 내부 구조를 이용해 열 흐름을 재지정할 수 있는 능력이었다. 연구진은 결정에 전기가 들어가는 각도를 변경함으로써 냉각 효과를 장치의 한쪽에서 다른 쪽으로 전환할 수 있음을 보여주었다. 이는 냉각이 무작위적인 발생이 아니라 재료의 기하학적 구조에 따른 예측 가능한 결과임을 시사한다. 연구팀은 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 열이 어떻게 이동하는지 모델링했으며, 이 모델은 실험적 관찰 결과와 완벽하게 일치했다. 시뮬레이션은 냉각이 전기 전류의 방향과 결정의 내부 축 사이의 불일치에 의해 발생한다는 것을 밝혔다. 두 방향이 일치하지 않을 때, 재료는 횡방향(transverse), 즉 옆방향의 열전 반응을 생성했다. 이 반응은 가장 중요한 영역으로부터 열을 끌어당기기에 충분히 강력하여, 뜨거운 것의 한가운데에 차가운 지점을 효과적으로 만들어냈다.

이 연구는 전자 장치의 열을 관리하는 새로운 길을 열어준다. 오랫동안 초점은 발생하는 열의 양을 줄이거나 열을 직선 방향으로 멀리 이동시키는 데 맞춰져 왔다. 이 새로운 접근 방식은 대신 단일 재료 내에서 열이 어떻게 분포되는지를 재형성할 수 있음을 시사한다. 특정 준금속의 자연적인 이방성을 활용함으로써, 부피가 큰 냉각 시스템이나 자기장 없이도 특정 핫스팟을 겨냥한 국부적인 냉각 구역을 만드는 것이 가능하다. 연구진은 이것이 유사한 특성을 가진 다른 재료에도 적용될 수 있는 일반적인 전략임을 강조하며, 미래의 나노 기술의 신뢰성과 효율성을 개선할 새로운 방법을 제시하고 있다. 필요한 곳에 정확히 내부로부터 장치를 냉각할 수 있는 능력은 단순히 열과 싸우는 것에서 열의 흐름을 능동적으로 제어하는 것으로의 전환을 의미한다.