오늘날 지식정보사회는 디지털 정보를 만들고 이를 잘 전달하기 위한 끊임없는 기술 발전과정에 있다. 그 중 외부 노이즈에 방해받지 않는 안정적 정보저장을 위해 다양한 방안이 연구되고 있다. 물리학자들은 이 해답을 솔리톤이라는 위상학적 물질에서 찾고 있다.

위상학(topology)이란 물체의 모양을 찢지 않고 연속적으로 바꿀 때 변하지 않는 성질을 연구하는 학문이다. 본래 수학적 도구였으나 물리학에 도입해 물질의 변화를 설명한 연구자들은 공로를 인정받아 2016년 노벨 물리학상을 수상했다. 위상기하학적으로는 공과 연필이 같다. 공을 이리저리 누르고 당겨서 결국 연필 모양으로 만들 수 있기 때문이다. 만약 공에 구멍을 하나 내면 위상학적으로 전혀 다른 상태가 되고, 결국 손잡이가 달린 머그잔과 같아진다. 모양을 연속적으로 바꾸었을 때 변하지 않는 성질은 위 예에서는 물체에 있는 구멍의 개수이다. 이처럼 위상학적으로 보호된 어떤 값은 정수의 형태를 가지며 높은 안정성을 가진다. 따라서 위상학을 활용하면 전혀 다른 물질을 만들 수 있게 된다. 이는 원자 단위 이하의 미시세계를 설명하는 데도 유용하게 사용될 수 있다.

솔리톤이란 원자도선의 양단이 서로 다른 위상 상태일 때 그 사이의 경계를 말하는데 위상학적 특징 때문에 외부의 간섭에도 방해받지 않는 안정적인 구조를 갖는다. 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅)은 1차원 인듐 원자도선에서 서로 다른 3 종류의 솔리톤을 발견하고 이를 '카이럴 솔리톤'이라고 명명한 바 있다. 본래 카이럴성(chirality)은 손을 뜻하는 그리스어에서 유래한 말로 왼손과 오른손처럼 서로 겹칠 수 없는 비대칭성을 의미한다. 여기서는 서로 다른 위상학적 특이성을 의미하는데 왼-카이럴, 오른-카이럴, 비-카이럴 이렇게 3종류의 솔리톤이 한 쌍의 카이럴 솔리톤을 이룬다.

▲ [참고] 카이럴 솔리톤의 세가지 종류

각 솔리톤에 전자가 한 개씩 갇히게 되는데 선폭이 1nm¹⁾인 원자도선에서 솔리톤의 방향성을 바꿔주면 전자를 한 개씩 이동시킬 수 있게 된다. 이를 활용하면 현재 1 비트²⁾ 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. 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.³⁾

▲ [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

연구진이 발견한 카이럴 솔리톤 간 상호전환은 에너지적 상태로 인해 늘 일정한 패턴으로 이루어진다. 한 예로 왼-카이럴 솔리톤과 비-카이럴 솔리톤이 충돌하면 오른-카이럴 솔리톤이 만들어진다. 또한 3 종류의 카이럴 솔리톤과 솔리톤이 존재하지 않는 상태(null)를 함께 조합함으로써 카이럴 솔리톤 간의 전환을 4진수 연산으로 구현하였다. 이를 활용한 소자와 컴퓨터가 구현된다면 현재의 2진법에 기반한 컴퓨터에서보다 월등히 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다.⁴⁾

▲ [그림. 3] 카이럴 솔리톤 연산표

솔리톤의 위상학적 안정성을 활용해 이전 연구에서는 단전자 소자의 활용가능성을 제시한 이번 연구로 저장된 정보의 안정성은 유지하면서 예측과 조작이 가능한 형태로 이 정보들을 변환할 수 있는 다진법 기반의 연산 기술을 확보했다. 연구진은 이러한 새로운 정보처리기술을 '솔리토닉스(solitonics)'라 이름 붙였다.

카이럴 솔리톤 소자는 다진법에 기반하고 정보저장과 연산을 동시에 수행함으로써 인간의 뇌를 모방하는 첨단기술로 인공지능 시대의 신개념소자로 각광받고 있는 뉴로모픽 기술의 발전에도 크게 기여할 것으로 보인다.

또한 실리콘을 기반으로 하므로 기존의 상용 소자기술과 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 신개념 차세대 소자와 인공지능기술 개발의 활성화도 기대된다. 이번 연구결과는 과학저널 네이쳐 피직스(Nature Physics, IF 18.791) 온라인판에 2월 7일 게재되었다.

대외협력실 김소연