칩 깊숙한 곳에서 전자는 계속해서 새로운 이동 방법을 찾고 있습니다.
전압, 전류, 저항 등 전자의 한계를 알고 있다고 생각했지만 항상 미끄러지며 규칙을 완전히 비틀어 놓기도 합니다.
나노 규모에서는 고전 물리학이 확언을 망설이기 시작합니다.
방정식은 여전히 작동하지만 더 이상 이상한 부분을 설명하지 못합니다.
양자는 이론이 아니라 이제 우리가 만들 수 있는 현실로 나타납니다.
터널형 FET, 스핀트로닉스, 2차원 반도체는 미래의 꿈이 아니라 더 이상 구형 모델에 맞지 않는 새로운 세상의 조각입니다.
터널 FET
터널 전계 효과 트랜지스터는 가능성에 대한 실험으로 시작되었습니다.
전통적인 MOSFET는 전류를 끌 수 있는 속도인 서브 임계값 스윙은 실온에서 10년에 6천만 볼트 이하로 내려갈 수 없는 한계에 도달했습니다.
양자 터널링은 이를 피할 수 있는 방법을 제공했습니다.
터널 FET는 전자를 장벽 위로 밀어내는 대신 전자가 벽을 통과시키도록 허용합니다.
이로써 전류는 힘이 아닌 확률에 의해 시작됩니다.
그 결과 필요한 전력은 낮아지고 칩은 냉각되며 전압은 낮아집니다.
하지만 이러한 현상은 깨지기 쉽습니다.
재료는 완벽하게 정렬되어야 하고 터널링 거리는 정확해야 하며 결함은 효과를 파괴합니다.
이론과 제작 사이의 얇은 공간에 존재하는 아이디어로, 실제로 작동할 수 있을 만큼 충분하지만 어느 순간 실패할 수 있을 만큼 섬세합니다.
스핀트로닉스
그리고 전하가 전부가 아닌 스핀트로닉스가 등장했습니다.
모든 전자는 움직이는 동전처럼 회전하며, 그 스핀도 정보를 전달할 수 있습니다.
장치는 전류만 사용하는 대신 자기화, 즉 스핀의 방향을 사용하여 데이터를 저장하고 읽습니다.
자기 터널 접합, 도메인 벽, 스핀 밸브: 추상적으로 들리지만 이미 현대 메모리 장치 내부에 있습니다.
예를 들어 MRAM은 전원이 꺼져도 사라지지 않는 비트를 저장하기 위해 전하 대신 스핀 상태를 사용합니다.
모든 하드 드라이브와 떠오르는 메모리 기술이 회전하는 입자의 조용한 리듬에 달려 있다고 생각하면 이상합니다.
물리학적 호기심에서 시작된 것이 엔지니어링 도구가 되었습니다.
어쩌면 항상 그렇게 혁신이 시작될지도 모릅니다.
필요에서 비롯된 것이 아니라, 작은 것을 알아차리고 그것을 무시하지 않는 것에서 비롯됩니다.
2D 반도체
그래핀이나 MoS₂같은 2차원 물질은 두께가 사라지면 발생하는 현상입니다.
그래핀은 두께가 원자 한 층뿐인 시트로, 완벽한 격자를 가지며 가장자리가 전체 장치처럼 작동합니다.
그래핀의 전자는 실리콘의 속도를 늦추는 산란 없이 자유롭게 움직입니다.
그래핀은 놀라운 이동성, 투명성, 강도 등 무엇이 가능한지 보여주었지만 밴드갭이 부족했습니다.
그 후 MoS₂와 기타 전이 금속 디칼코제나이드가 등장하여 제어력이 조금 더 높아졌습니다.
엔지니어들은 필요에 따라 반도체, 금속 또는 절연체처럼 작동할 때까지 적층하고 비틀고 튜닝하는 방법을 연구하고 있습니다.
양자 소자는 때때로 인간이 만들어낸 기술처럼 느껴지지 않고 실험실 밖에서 생존하는 법을 배운 실험처럼 느껴집니다.
양자 소자는 진보가 단순히 속도나 크기가 아니라 아직 이해가 되지 않는 공간에서도 호기심을 유지하려는 의지라는 것을 상기시켜 줍니다.
터널 FET는 우연에 의존합니다.
스핀트로닉스는 방향에 따라 달라집니다.
2차원 반도체는 얼마나 얇아질 수 있는지에 따라 달라집니다.
앞으로 양자 소자는 불확실성보다는 확실성에 기반하고 탐구에 더 중점을 둔 미래를 향해 나아갑니다.
그리고 아마도 그것이 가장 인간적인 문제일 수 있습니다: 계속 질문하고, 작동하지 못했던 것을 구축하고, 심지어 확률도 조작할 수 있다고 믿는 것입니다.