기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅)과 포스텍 공동 연구진은 실리콘기판 위에 형성된 1차원 인듐 원자도선¹⁾ 구조를 따라 움직이는 카이럴 솔리톤(chiral soliton)이 충돌할 때 서로 간 규칙적인 상호전환이 일어난다는 사실을 최초로 발견했다. 더욱이 이를 4진수 연산체계로 구현해 냄으로써 새로운 정보전달 및 연산소자로서의 가능성을 제시했다.

이전 연구(2015.10, Science)에서 연구진은 인듐 원자도선에서 서로 다른 3 종류의 솔리톤을 발견하고 이를 '카이럴 솔리톤'²⁾이라고 명명한 바 있다. 솔리톤이란 원자도선 양단이 서로 다른 위상³⁾ 상태일 때 생기는 그 사이의 경계를 말한다. 이 경계에 전자가 한 개씩 갇히게 되는데 선폭이 1nm⁴⁾인 원자도선에서 솔리톤의 방향성을 바꿔주면 전자를 한 개씩 이동시킬 수 있게 된다. 이를 활용하면 현재 1 비트⁵⁾ 인식에 필요한 수십~수백 개의 전자를 하나의 전자로 대체할 수 있다. 외부 간섭이나 충격에 영향을 받지 않는 위상학적 특성을 지닌 솔리톤이 전자를 안정적으로 전달하기 때문이다. 하지만 솔리톤의 안정성은 역설적으로 솔리톤에 정보를 기록하고 바꾸는 것을 어렵게 한다.

또한 안정성으로 인해 솔리톤은 생성이나 소멸만 가능한 것으로 알려져 있었으나, 이번 연구에서는 3 종류의 카이럴 솔리톤 간 상호전환이 가능함을 최초로 밝혔다(그림 1, 2 참조)⁶⁾. 염한웅 단장은 "1차원 인듐 원자도선에서 다른 종류의 카이럴 솔리톤 간의 충돌을 통해 제3의 카이럴 솔리톤이 만들어질 수 있음을 실험적으로 보였다"며 이번 연구의 의의를 밝혔다.⁷⁾

발견된 카이럴 솔리톤 간 상호전환은 에너지적 상태로 인해 늘 일정한 패턴으로 이루어진다. 또한 3 종류의 카이럴 솔리톤과 솔리톤이 존재하지 않는 상태(null)를 함께 조합함으로써 4진수 연산이 가능하다(그림 3 참조). 이를 활용한 소자와 컴퓨터가 구현된다면 현재의 2진법에 기반한 컴퓨터에서보다 월등히 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다.⁸⁾

솔리톤의 위상학적 안정성을 활용하여 이전 연구에서는 단전자 소자의 활용가능성을 제시한 데 이어 이번 연구는 저장된 정보의 안정성은 유지하면서 예측과 조작이 가능한 형태로 이 정보들을 변환할 수 있는 다진법 기반의 연산 기술을 확보한 것이다. 연구진은 이러한 새로운 정보처리기술을 '솔리토닉스(solitonics)'라 명명하였다.

카이럴 솔리톤 소자는 다진법에 기반할 뿐 아니라 정보저장과 연산을 동시에 수행함으로써 인간의 뇌를 모방하는 첨단기술로 인공지능 시대의 신개념소자로 각광받고 있는 뉴로모픽 기술의 발전에도 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 또한 실리콘을 기반으로 하므로 기존의 상용 소자기술과 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 신개념 차세대 소자와 인공지능기술 개발의 활성화에도 기여할 것이다.

연구결과는 과학저널 네이쳐 피직스(Nature Physics, IF 18.791) 온라인판에 2월 7일 게재되었다.

▲ [그림. 1] 카이럴 솔리톤 전환 개념도
[왼-카이럴 솔리톤(L) + 비-카이럴 솔리톤(A) = 오른-카이럴 솔리톤(R)]

▲ [그림. 2] 카이럴 솔리톤 간 상호전환 측정값

▲ [그림. 3] 카이럴 솔리톤 연산표

▲ [참고] 카이럴 솔리톤의 세가지 종류