[지금은 과학] 빛 알갱이 하나하나에 정보 심는다…光양자 메모리 원천기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 이론상 무한히 껐다 켰다 할 수 있는 나노결정이 발견됐다. 컴퓨터 메모리에 적용할 경우 빛 알갱이(광자) 하나하나에 정보를 썼다 지울 수 있게 된다. 저장용량을 지금의 반도체 메모리보다 1천 배 이상 늘릴 수 있는 광(光) 양자 메모리 원천기술이 탄생했다.

서영덕 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수팀은 1일 지속가능한 '나노결정 양방향 광스위치' 현상과 원리를 발견했다고 발표했다. 연구팀은 이를 통해 "코 앞의 현실로 다가온 초고속 대용량 양자컴퓨팅 데이터 시대에 쓰여질, 전광(全光) 양자 메모리(All-optical Quantum Memory) 원천기술을 개발했다"고 밝혔다.

UNIST와 컬럼비아대학, 버클리국립연구소 등이 참여한 이 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지 네이처(nature)에 1일 0시 속보논문으로 발표됐다.

서영덕 교수는 한국화학연구원에 근무하던 지난 2021년 1월 란탄족 금속이 도핑된 나노입자에서 초미세 나노결정 내의 연쇄 증폭 반응을 통해 극단적으로 빛이 증폭되는 '광사태 현상'을 발견한 바 있다. 당시 연구결과는 네이처紙의 표지논문으로 선정된 바 있다.

이번 연구에서는 이 '광사태 나노입자'를 인위적으로, 무한하게 반복 점멸되도록 제어할 수 있는 '광스위치 현상'을 발견했다. 광사태 나노입자의 획기적인 응용처를 찾아낸 것이다.

연구팀이 구현해 낸 '무제한 지속가능한 나노결정 양방향 광스위치 현상', 즉 '무한한 광전환(On/Off)이 가능한 광사태 나노입자'는 3D 광양자 메모리, 바이오·나노 광학 프로브, 초고해상도 현미경 등의 분야에서 새로운 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.

서영덕 교수는 전광 양자 메모리를 과거에 光저장매체로 이용된 CD-ROM, CD-RW에 빗대 설명하면서 "이러한 무한 반복 가능한 양방향 광스위치는 향후 초고성능 양자 컴퓨터에서 생성된 방대한 양의 데이터를 저장하기 위한 광양자 메모리 장치로 발전해 거대한 데이터 저장 용량을 가지면서도 훨씬 더 빠르고, 정확하고, 정밀하게 작동될 수 있을 것”이라고 기대했다.

서 교수에 따르면 현재의 USB메모리나 마이크로 SD카드가 512GB나 1TB정도인 데 비해 광양자 메모리는 같은 크기의 메모리 카드로 1000 테라, 즉 페타바이트(PB) 시대를 열 수 있다. 또한 전자가 아닌 광자를 이용하기 때문에 더 많은 데이터를 더 빨리 처리하고, 전송할 수 있다.

유기 염료와 형광 단백질은 광학 메모리, 나노 패턴화 및 생체 이미지화와 같은 다양한 응용 분야에 널리 사용된다. 이러한 형광분자들은 지난 수십 년간 해당 분야에서의 비약적인 발전에 기여해 왔다. 하지만, 이러한 형광분자들은 빛을 받으면 무작위로 깜박이고, 결국에는 완전히 탈색돼 사라져 버리는 경향 때문에 수명이 짧다는 치명적인 단점을 가진다. 이러한 과정을 '광탈색(Photobleaching)' 현상이라고 한다.

이와는 대조적으로 란탄족 금속들이 도핑된 나노입자는 예외적인 광안정성을 보인다. 연구팀은 이번 연구에서 이러한 광안정성을 성공적으로 달성하고 근적외선 사용으로 열변성의 징후를 보이지 않으면서 다양한 주변 환경과 물 환경에서조차도 나노결정의 점등과 소등에 대한 테스트를 수천 번 이상 반복할 수 있었다.

논문의 제1저자인 이창환 컬럼비아대 박사 후 연구원은 "간단한 소형 레이저를 사용해 빛의 파장 하나로도 빛을 컨트롤하고, 다른 파장으로 빛을 전환할 수도 있다"며 “근적외선 빛은 광독성이나 광산란을 최소화하면서도, 생물학적 조직과 무기화학적 물질에 모두 깊이 침투할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다”고 말했다.

공동 연구를 진행한 버클리 연구소의 코헨 박사는 “'란탄족 계열 금속 산화물 나노입자로부터 나오는 빛은, 점멸하지도, 탈색되지도 않고, 늘 켜져 있다'고 주장해 왔던 연구방향이 이번 발견으로 인해 뒤바뀌었다”며 “인위적으로 무한 점멸이 가능한 양방향 광스위치 현상 발견이라는 예상치 못했던 결과를 받아들이는 것이 어렵지만 얼마나 중요한지 모르겠다”고 전했다.

서영덕 교수는 "앞으로 정보통신기술은 전자가 아닌 광자로 가게 된다.

컴퓨터도 CPU가 먼저 광자방식으로 바뀌고, 메모리도 바뀔 것이다. 전광컴퓨팅(All-Optical Computing) 시대가 오면 데이터 저장 용량도, 처리속도도 빛의 시대로 간다. 광자가 전자보다 크기도 훨씬 더 작고 이동속도도 훨씬 더 빠르니까"라고 말했다.

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※ 논문명 : Indefinite and bidirectional near-infrared nanocrystal photoswitching

※ 저자 : 이창환(제1저자), Emma Z. Xu(공저자, 이상 컬럼비아대학), 남상환(공저자, 한국화학연구원), 박혜선(공저자, 한국기초과학연구원) 등 공저자 16명. 서영덕(교신저자, UNIST), James Schuck(교신저자, 컬럼비아대학), Dr. Bruce Cohen, Dr. Emory Chan(교신저자, 버클리 연구소)