Synchronized Oscillation in Coupled Nanomechanical Oscillators

Science 316, 95(2007)

동기화(Synchronization)는 우리 생활 주변에서 쉽게 관찰할 수 있는 현상이다. 1920년대 많은 연구가 진행된 바 있는 반딧불이의 동기 진동에서부터, 심장의 페이스메이커가 만들어 내는 전기 신호에 이르기까지 수 많은 개체가 자율적으로 동기진동을 하고 있음이 밝혀져 있다. 요즘 들어 이러한 동기화에 대한 연구는 물리학 뿐만 아니라 수학에서도 많이 연구되고 있다.
우리는 호이겐스가 진자 시계를 통하여 관찰했던 동기화를 연구하기 위하여 나노미터 크기의 coupled oscillator를 제작하였다. 나노 진동자는 표준 e-beam lithography 공정과 Reactive lon Etching, Buffered oxide etching 공정 을 통하여 제작 하였다. 10㎛길이, 500nm 폭을 가진 두 개의 진동자는, 가운데 부분(coupling)을 통하여 역학적으로 연결되었다. 그리고 열에 의한 노이즈를 최소화하기 위하여 시료의 온도를 300mk까지 낮추었다. 이후 한쪽 진동자를 구동하면서 다른 쪽 진동자가 동기화되어 진동하는 것을 관찰하였다. 이는 자연계에 존재하는 동기화가 미시의 나노 세계에도 존재함을 관찰한 것이다.
그리고 coupled oscillator를 이용하여 파라메트릭 증폭 현상도 관찰하였다. 공명 진동수가 w인 진동자를 두 배의 진동수인 2w로 에너지를 가해주면, 진동자의 진폭이 커지게 된다. 이러한 원리를 나노 진동자에 적용하여 진폭에 이득을 얻었다.
나노 진동자를 이용한 동기화의 관찰은 여러 가지 흥미로운 연구 주제를 제시한다. 더 많은 진동자 네트워크에서의 동기화 현상을 보이면, 우리는 사람 뇌의 신경 네트워크(neural network)를 모사하여 Neural network computing을 구현할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다. 한편, 파라메트릭 증폭 현상은 양자 역학적 진동자의 구현을 위하여 소자의 크기가 작아져 측정이 어려워지고 있는 상황에서, on-chip 증폭기의 구현을 가능하게 하여 기존의 측정 한계를 극복할 방법을 보여준다. 우리의 진동자는 파라메트릭 증폭현상을 구현하기에 최적화 되지 못한 아쉬움이 있지만, 이 또한 심도 있는 연구를 통하여 최적화할 수 있을 것이다.


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