그래핀의 유체 전자: 미래 기술을 초강력화 한다.
이 획기적인 발전은 인터넷 속도에서 비침습적 의료 검사에 이르기까지 기술을 개선할 수 있는 점성 전자 볼로미터와 같은 장치의 개발로 이어졌다.
학창시절 과학시간에 우리는 케이블을 전기 회로에 연결하면 전자 흐름이 시작되어 전등에서 전화기에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급한다는 것을 배웠다.
전통적으로 우리는 간단한 모델을 사용하여 금속과 반도체의 전자 행동을 이해했다. 이 관점에서 전자는 작고 독립적인 입자와 같다. 즉, 개방된 고속도로에서 자유롭게 움직이는 자동차와 비슷하며 서로 거의 상호 작용하지 않는다. 이 간단한 모델은 오랫동안 전자 기술의 기초가 되어 왔으며 현대 생활에 전력을 공급하는 장치를 설계하는 방식을 형성했다.
그러나 이러한 전통적인 관점은 그래핀과 같은 특정 신흥 양자 물질에서 전자의 행동을 완전히 설명하지 못한다. 그래핀에서는 전자가 독립적으로 움직이지 않고 대신 기름과 같은 점성 유체의 움직임과 유사하게 집단적으로 흐른다.
이 발견은 단순한 기발한 관찰 이상이다. 광범위한 기술의 미래 개발에 혁신을 가져올 수 있다.
그래핀의 특성 탐구
싱가포르 국립대학교 디자인 및 공학 대학의 데니스 반두린 조교수의 연구실에서 그들은 양자 물질이 나노스케일에서 전자기파와 어떻게 상호 작용하는지 탐구하여 새로운 과학적 현상과 미래 기술 개발에 대한 잠재적 활용 가능성을 발견하고 있다.
네이쳐 나노테크놀로지에 발표된 최근 연구에서 그들은 그래핀이 테라헤르츠 주파수의 전자기파에 노출되면 전자 유체가 가열되고 점도가 급격히 감소하여 전기 저항이 낮아진다고 보고했다. 이는 기름, 꿀 및 기타 점성 유체가 스토브에서 가열될 때 더 쉽게 흐르는 것과 매우 유사하다.
THz 기술의 발전
이것이 흥미로운 이유는 무엇일까?
테라헤르츠(THz)파는 전자기 스펙트럼의 특별하고 기술적으로 어려운 부분으로, 마이크로파와 적외선 사이에 위치하며 광범위한 잠재적 응용 분야를 가지고 있다. THz파를 감지할 수 있다면 기술의 주요 발전이 이루어질 수 있다.
예를 들어 통신에서 현재의 Wi-Fi 기술은 수 GHz에서 작동하여 전송할 수 있는 데이터 양이 제한된다. 주파수가 훨씬 높은 THz 방사선은 초고속 5G 네트워크의 "캐리어 주파수" 역할을 할 수 있어 사물인터넷(IoT) 연결 장치, 자율 주행 자동차 및 기타 수많은 응용 분야에서 더 빠른 데이터 전송이 가능하다.
의료 영상 및 산업 품질 관리에서 THz파는 많은 재료를 관통할 수 있어 비침습적 스캔에 유용하다. 또한 X선보다 안전하여 매우 선택적이고 정확한 영상 도구를 제공한다.
더 나아가 THz 비전은 관측 천문학을 가능하게 하여 과학자들이 가시광선으로는 볼 수 없는 먼 은하와 외계 행성을 관찰할 수 있게 한다.
현대 기술에서 점성 전자 장치의 역할
따라서 THz 방사선은 엄청난 잠재력을 제공한다. 문제는 최근까지 THz파를 감지하는 것이 상당한 과제였다는 것이다. THz파는 기존 반도체 칩으로는 처리하기에는 너무 빠르고 기존 광전자 장치로는 너무 느리다.
이 연구는 점도 감소 효과를 활용함으로써 전기 저항의 변화를 감지하여 THz파를 감지할 수 있는 혁신적인 장치를 만들 수 있음을 보여준다. 실제로 논문에 보고된 바와 같이 그들은 점성 전자 볼로미터라는 새로운 종류의 전자 장치를 구축할 수 있었다.
점성 전자의 첫 번째 실용적이고 실제적인 적용을 나타내는 이 볼로미터는 한때 순전히 이론적이라고 생각되었던 개념으로, 저항의 변화를 매우 정확하고 빠르게 감지할 수 있으며, 원칙적으로 피코초 규모에서 작동한다. 즉, 1조분의 1초이다.
전자 장치의 미래
전자가 집단 유체로 함께 움직이는 방식을 이해하고 활용하면 전자 장치의 설계를 완전히 재고할 수 있는 길이 열린다. 이를 염두에 두고 연구팀은 이러한 점성 전자 볼로미터를 실용적인 응용 분야에 최적화하기 위해 적극적으로 노력하고 있다.
양자 물질의 새로운 세계에서 더 많은 비밀을 발견함에 따라 기존의 전자 동작 모델로는 더 이상 충분하지 않다는 것이 분명해졌다. 과학자들은 점성 전자 장치에 대한 이 새로운 이해를 수용함으로써 새로운 기술적 가능성의 물결을 열 수 있을 것이다.
