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뉴멕시코 대학(New Mexico State University), 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 저차원 재료 속에서 발견되는 위상학적 와류(topological vortice)가 나노입자 속의 전기장에 의해서 어떻게 변위되고 제거되고 다시 회복될 수 있는지를 밝혀내었다. 이번 연구진은 나노입자 속에서 원자의 비정상적인 자기 조직화를 발견했고, 전기장으로 이것을 제어할 수 있는 방법을 배웠다. 이러한 제어된 나노입자는 비휘발성 램(non-volatile random access memory, NRAM), 양자 컴퓨터, 기타 차세대 전자장치를 만드는데 사용될 수 있다. 물질 속의 원자가 기계적으로 무질서하게 될 때, 잘 알려진 결함이 발생된다. 이러한 결함들은 일부 원자가 제거되거나 반대로 격자 내에 삽입될 때 발생한다. 격자의 공간적 구성이 바뀔 때, 이러한 결함을 위상학적이라고 부른다. 위상학적 결함은 초유체 또는 초전도체를 만드는 물질에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 위상학적 결함은 저차원 재료(2차원 나노막대와 나노박막, 1차원 나노점 또는 나노입자)속에서만 발견될 수 있다. 가장 중요한 위상학적 결함 중의 하나는 모든 원자의 작은 변위에 의해서 발생되는 비틀림과 같은 위상학적 와류이다. 와류 코어(core)는 나노입자 속에서 지워지고 다시 복원될 수 있다. 이번 연구진은 투과 X선 조사를 통해서 바륨 티타네이트(barium titanate) 나노입자의 내부 구조를 관찰했다. 구조의 미세한 변화를 분석함으로써 18 나노미터의 해상도를 가진 나노입자 이미지를 얻을 수 있었다. 외부 전기장은 나노입자 내부의 위상학적 와류의 코어를 옮길 수 있고 전기장이 제거될 때 원래 위치로 돌아가게 할 수 있다. 현대의 전자제품은 점점 작아지고 있다. 소자의 효율을 향상시키는 한 가지 방법은 위상학적 와류를 사용하는 것인데, 이번 연구는 이것이 가능하다는 것을 증명했다. 향후에 고밀도 NRAM 또는 양자 컴퓨터를 생성하는데 적용될 수 있기를 기대해본다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 ldquo;Three-dimensional imaging of vortex structure in a ferroelectric nanoparticle driven by an electric field rdquo; 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/s41467-017-00318-9). |
