신경모방 컴퓨팅과 양자소재의 접점
신경모방(neuromorphic) 컴퓨팅은 뇌의 뉴런·시냅스 작동 방식을 반도체 소자로 구현하는 기술이다. 핵심 과제 중 하나는 소재 자체에 기억 기능을 내장하는 것으로, 구조적 위상전이와 전자적 위상전이가 연동된 양자소재가 유력 후보로 주목받고 있다. 이러한 소재에서 위상전이의 가소성(plasticity)을 외부에서 제어할 수 있다면, 별도의 메모리 회로 없이 학습·망각 동작을 구현할 수 있다.
뉴리스터와 코히런트 X선 회절 현미경
Shpyrko 교수팀은 뇌의 뉴런을 모방한 인공 소자인 뉴리스터(neuristor)를 이산화바나듐으로 제작했다. 연구팀은 소자에 전류를 인가하면서 동시에 코히런트 X선 회절 현미경 기법을 적용해 나노미터 수준 도메인 배열의 변화를 추적했다. 이 기법은 특정 나노 구성에 민감하게 반응해 동작 중인 소자를 비파괴적으로 관찰할 수 있다는 강점이 있다. 기존 측정 방식으로는 접근하기 어려웠던 동작 중 동역학 데이터를 확보한 것이 이번 연구의 기술적 출발점이다.
잼밍 전이: 학습과 망각의 물리적 원리
연구팀이 규명한 핵심 메커니즘은 액체 유사 상태에서 잼밍(jamming) 또는 유리질(glassy) 상태로의 위상전이다. 도메인들이 서로 독립적으로 자유롭게 이동할 수 있는 상태에서는 특정 구성이 고정되지 않지만, 도메인 흐름이 잼밍되면 소자가 특정 상태를 유지하는 학습 효과가 나타난다. 반대로 잼밍 상태에서 자유 흐름을 회복시키면 고정된 상태가 해제되며 망각이 일어난다. 이 거동은 승강장 혼잡도에 따라 개별 승객의 이동이 서로 독립적이거나 종속적으로 바뀌는 상황과 구조적으로 유사하다.
에너지 효율 하드웨어로의 함의와 과제
이번 연구 결과는 뉴리스터 소자가 외부 자극만으로 학습 상태와 망각 상태를 전환할 수 있음을 실험적으로 보여준다. 이는 낮은 전력으로 뇌 모사 연산을 수행하는 하드웨어 구현 가능성을 높인다는 점에서 재료과학과 신경모방 소자 분야 모두에 의미를 갖는다. 다만 현 단계는 단일 소재·단일 소자 수준의 원리 검증에 그치며, 대규모 집적 회로로의 확장 및 실온 안정 동작 구현을 위해서는 추가적인 공학적 연구가 필요하다. 해당 연구 결과는 Nature Communications에 게재됐다.
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Jamming the flow to enable memory in quantum materials
