기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단 염한웅 단장과 물리학과 김태환 교수 공동연구팀이 ‘0’과 ‘1’의 두 상태를 나타내는 ‘2진법 소자’를 넘어서 4진법 연산이 가능한 전자소자를 제안했다. 이를 활용하면 향후 두뇌 신경망을 구현한 인공지능 컴퓨터에 새로운 소자로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

공동 연구팀은 초미세 인듐 원자선 안에서 전자처럼 움직이는 세 종류의 ‘카이럴 솔리톤’이 서로 연산을 할 수 있다는 사실을 처음으로 발견했다.
연구팀은 2015년 선행 연구를 통해 1나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 폭의 인듐 원자선에서 서로 다른 세 종류의 솔리톤(전자를 1개씩 안정적으로 전달하는 공간)을 발견하고, 이를 ‘카이럴 솔리톤’이라 명명한 바 있다.

원자선 내 세 종류의 솔리톤 안에는 각각 1개의 전자만을 가두고 있어, 방향성만 바꿔주면 전자를 1개씩 이동할 수 있다. 기존 도선 안에서 움직이는 전자는 한 번에 수십∼수백개씩 움직이기 때문에 전력 소모가 크고 효율이 낮았지만, 인듐 원자선을 이용해 하나의 전자로 정보를 처리하는 것이 가능하다.

연구팀은 이번 연구를 통해 세 종류의 카이럴 솔리톤이 서로 전환, 즉 연산이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 이 세 종류의 솔리톤이 존재하는 상태와 존재하지 않는 상태인 ‘0’을 조합하면 4진수 연산이 가능해 진다.

이 다진법을 이용하면 기존 2진수 연산밖에 할 수 없는 전자 소자에 비해 훨씬 방대한 양의 정보를 저장할 수 있을 뿐 아니라 정보처리(연산)까지 동시에 처리할 수 있어 기존 2진수 컴퓨터 성능을 훨씬 뛰어넘는 컴퓨터의 개발이 가능하다.

염한웅 단장은 “1차원 인듐 원자도선에서 다른 종류의 카이럴 솔리톤 간의 충돌을 통해 제3의 카이럴 솔리톤이 만들어질 수 있음을 실험적으로 보였다”며 “앞으로 더 다양한 위상학적 연산을 구현해, 카이럴 솔리톤을 이용한 정보전달 및 연산 소자를 구현할 계획”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 과학학술지 ‘네이처 피직스'(Nature Physics) 온라인 판에 7일 게재됐다.

* 본 보도자료는 기초과학연구원(IBS)에서 작성 되었습니다.