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저는 InP 계열의 포토닉스 산업 종사자였습니다.
반도체, crystallography 및 quantum tech(ex. Quantum computing, QKD, Quantum sensing)에 관한 글도 종종 작성합니다.
또한 요즘엔 AI 프롬프트 개발에 관해서도 많은 관심을 가지고 있으며, 그 외에 소소한 일상도 공유하고 있습니다.
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[비틀면 전자가 달라지고, 반복하지 않아도 질서가 생긴다]
Twistronics와 Quasicrystal이 보여주는 새로운 물질의 규칙
물질의 성질은 보통 무엇으로 만들어졌나로 결정된다고 생각하기 쉽다.
하지만 현대 물질과학에서는 어떻게 배열했는가가 점점 더 중요한 질문이 되고 있다. 같은 원자라도 겹치는 방식, 각도, 패턴에 따라 완전히 다른 성질이 나타날 수 있기 때문이다.
Twistronics는 이 아이디어의 대표 주자다.
이름 그대로 twist(비틀기)와 electronics의 합성어다. 아주 얇은 원자층 두 장을 포개고, 한 장을 아주 조금만 비틀면 두 층 사이에 커다란 간섭무늬(모아레 패턴)가 생긴다. 망사 두 장을 겹쳐 살짝 돌렸을 때 나타나는 큰 물결무늬와 비슷하다.
이 무늬는 움직이는 전자의 길과 속도를 바꾼다. 특히 그래핀 두 장을 약 1.1도로 비틀면 전자의 에너지 구조가 극도로 납작해지면서, 절연체처럼 행동하다가 특정 조건에서는 초전도체처럼 행동하는 강한 상호작용이 나타난다.[1]
쉽게 말해, Twistronics는 원자를 새로 바꾸지 않고 각도만 살짝 조절해 전자의 성질을 완전히 바꾸는 기술이다.
같은 레고 블록으로도 쌓는 방식에 따라 완전히 다른 건물이 나오는 것처럼, 같은 원자층도 비틀림 각도에 따라 전자의 집단 행동이 달라진다.
Quasicrystal은 또 다른 방향에서 질서의 정의를 바꾼다.
보통 결정은 원자 배열이 일정한 단위로 반복되는 구조다. 하지만 quasicrystal은 분명한 질서가 있으면서도 같은 패턴이 주기적으로 반복되지 않는다.
무질서한 유리도 아니고, 규칙적으로 반복되는 보통 결정도 아닌 제 3의 상태다. 전체적으로는 아름다운 규칙이 있지만, 특정한 작은 단위가 똑같이 반복되지는 않는다. 반복 없는 질서가 quasicrystal의 핵심이다.
두 개념은 서로 다른 분야처럼 보이지만, 본질은 같다. 물질의 성질은 원자의 종류 만으로 결정되지 않는다는 점을 보여준다.
Twistronics는 비틀림 각도로 전자의 세계를 조율하고, Quasicrystal은 반복 없이도 질서가 가능하다는 새로운 구조 규칙을 제시한다.
Summary
물질의 진짜 힘은 원자 자체가 아니라, 원자들이 이루는 관계의 모양에서 나온다.
앞으로의 재료 과학은 어떤 원소를 섞을 지에서,
어떤 층을 어떤 각도로 겹칠지, 어느 비반복적 패턴을 만들 지에 관한 질문으로 확장되고 있다.
비틀림 하나가 전자의 길을 바꾸고, 반복되지 않는 패턴 하나가 결정의 정의를 바꾼다.
Reference
[1] Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018).
link: https://t.co/u6b3EdvVeV
키옥시아와 픽스타즈의 공동 연구 결과
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* 픽스타즈(Fixstars Corporation):
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