더 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨팅을 향한 핵심 단계인 새로운 나노결정 소재

오리건 주립 대학의 화학 연구원을 포함한 과학자들은 밝음에서 어두움으로, 그리고 다시 어두움으로 빠르게 전환할 수 있는 발광 나노결정을 발견함으로써 차세대 광 컴퓨팅 및 메모리를 향한 중요한 진전을 이루었습니다.

"이 나노크리스털의 놀라운 스위칭 및 메모리 기능은 언젠가는 광 컴퓨팅에 필수적이 될 수 있습니다. 광 컴퓨팅은 우주의 어떤 것보다 빠르게 이동하는 빛 입자를 사용하여 정보를 빠르게 처리하고 저장하는 방법입니다." OSU 과학 대학의 조교수인 Artiom Skripka가 말했습니다. "저희의 연구 결과는 일반적으로 인공지능과 정보 기술을 발전시킬 수 있는 잠재력이 있습니다."

스크립카와 로렌스 버클리 국립연구소, 컬럼비아 대학교, 마드리드 자치대학교의 협력자들이 진행한 이번 연구는 Nature Photonics 에 게재되었으며, 눈사태 나노입자라고 알려진 유형의 물질을 다루었습니다.

나노물질은 10억 분의 1미터에서 1,000억 분의 1미터 사이에 위치하는 작은 물질 조각이며, 눈사태 나노입자는 광 방출 특성에 있어 극도의 비선형성을 나타냅니다. 즉, 나노입자를 여기시키는 레이저의 강도가 약간 증가함에 따라 빛의 세기가 엄청나게 증가할 수 있습니다.

연구자들은 칼륨, 염소, 납으로 구성되고 네오디뮴으로 도핑된 나노크리스털을 연구했습니다. 칼륨 납 염화물 나노크리스털 자체는 빛과 상호 작용하지 않지만 호스트로서 네오디뮴 게스트 이온이 빛 신호를 더 효율적으로 처리할 수 있게 하여 광전자, 레이저 기술 및 기타 광학 응용 분야에 유용합니다.

"일반적으로 발광 물질은 레이저에 의해 여기되면 빛을 내고 여기되지 않으면 어둡습니다." 스크립카가 말했다. "반면에, 우리는 나노크리스탈이 평행한 수명을 가지고 있다는 것을 발견하고 놀랐습니다. 특정 조건에서, 그들은 특이한 행동을 보입니다. 정확히 같은 레이저 여기 파장과 전력에서 밝거나 어두울 수 있습니다."

이런 행동을 본질적 광학적 쌍안정성이라고 합니다.

"처음에 결정이 어두우면, 켜고 방출을 관찰하기 위해 더 높은 레이저 전력이 필요하지만, 일단 방출되면 방출을 계속하고 처음에 켜는 데 필요한 것보다 낮은 레이저 전력에서 방출을 관찰할 수 있습니다." 스크립카가 말했다. "자전거를 타는 것과 같습니다. 자전거를 타려면 페달을 세게 밟아야 하지만, 일단 움직이기 시작하면 계속 움직이는 데 덜 노력이 필요합니다. 그리고 발광은 버튼을 누르는 것처럼 정말 갑자기 켜지고 꺼질 수 있습니다."

나노크리스탈의 저전력 스위칭 기능은 인공 지능, 데이터 센터 및 전자 기기의 증가하는 존재로 인해 소비되는 에너지 양을 줄이려는 글로벌 노력과 일치합니다. 그리고 AI 애플리케이션은 상당한 컴퓨팅 파워가 필요할 뿐만 아니라 기존 하드웨어와 관련된 제한으로 인해 제약을 받는 경우가 많으며, 이 새로운 연구는 이 상황도 해결할 수 있습니다.

"내재적인 광학적 이중 안정성을 가진 광자 물질을 통합하면 더 빠르고 효율적인 데이터 프로세서를 의미할 수 있으며, 머신 러닝 알고리즘과 데이터 분석을 향상시킬 수 있습니다." 스크립카는 말했습니다. "또한 통신, 의료 영상, 환경 감지, 광학 및 양자 컴퓨터용 상호 연결과 같은 분야에서 사용되는 유형의 더 효율적인 광 기반 장치를 의미할 수도 있습니다."

또한 그는 이 연구는 나노 스케일에서 빛과 물질의 행동을 기반으로 하는 강력하고 범용적인 광학 컴퓨터를 개발하려는 기존의 노력을 보완하고, 혁신과 경제 성장을 촉진하는 데 있어 기초 연구의 중요성을 강조한다고 말했습니다.

스크립카는 "우리의 연구 결과는 흥미로운 발전이지만, 실제 응용 분야에 적용되기 전에 확장성 및 기존 기술과의 통합과 같은 과제를 해결하기 위해 추가 연구가 필요합니다."라고 말했습니다.

미국 에너지부, 국가과학재단, 국방고등연구계획국이 로렌스 버클리의 브루스 코헨과 에모리 찬, 컬럼비아 대학의 P. 제임스 슈크, 마드리드 자치대학의 다니엘 자크가 주도한 이 연구를 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250103125043.htm