| 내용 |
원자 수준에서 자기를 제어, 측정 및 이해하려는 노력으로 NIST (National Institute of Standards and Technology)에서 근무하는 연구원들은 자성 재료의 나노 스케일 특성을 조작하는 새로운 방법을 발견했다. 이러한 특성을 제어하는 능력은 가전 제품의 자성 메모리를 만들고 개선하고 자성 나노 입자를 검출할 수 있는 민감한 검출기를 개발하는데 잠재적인 응용 분야가 될 수 있다. 이번 발견은 작은 자기장으로 전자를 부여하는 스핀 (spin)으로 알려진 양자 역학 특성에 초점을 맞추고 있다. 전자 스핀은 동반 자장처럼 '위 또는 아래' 두 방향 중 하나를 가리킬 수 있다. 수년에 걸쳐, 과학자들은 스핀의 방향을 바꿔서 자기장의 방향을 바꾸는데 능숙해졌다. 그러나 새로운 발견은 새로운 비틀기 방법이다. 코발트와 같은 일부 물질에서는 인접한 전자의 스핀이 상호 작용하여 같은 방향으로 모든 점을 향하게 한다. 스핀 중 일부가 그 방향에서 멀어지면 인근 스핀 중 일부를 끌어낸다. 이것은 스핀들이 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 점차적으로 뒤틀리게 한다. 일부 자료에서는 스핀이 한 방향으로만 꼬기를 선호한다. 로스 알라모스 국립 연구소의 NIST 연구팀은 코발트 막 두께가 단지 3 원자층인이 비트는 방향을 제어하는 방법을 발견했다. 게다가, 그들은 코발트의 동일한 필름상의 다른 위치에서 이 방향을 다르게 설정할 수 있으며, 금속의 다른 자기 적 특성과 독립적으로 이 방향을 설정할 수 있다. 연구팀은 Dzyaloshinskii-Moriya 상호 작용 (DMI)으로 알려진 효과를 제어함으로써 이 새로운 기능을 달성했다. DMI는 스핀에 선호되는 비틀기 방향을 부여한다. DMI는 일반적으로 자성 금속 박막과 비자성 금속 층 사이의 경계에서 발생한다. 자기 막의 전자 스핀은 비자성 막의 원자와 상호 작용하여 우발적으로 비튼다. DMI를 제어하면 스핀 방향을 사용하여 정보를 저장하는 자기 메모리를 향상시킬 수 있다. 메모리 장치에는 자기 하드 드라이브의 경우 1 또는 0을 나타내는 두 개의 별개의 상태가 필요하며 스핀이 위 또는 아래를 향하는 전자가 있어야 한다. 데이터를 쓰려면 설계가 하나의 스핀 방향에서 다른 스핀 방향으로 바꿀 수 있는 예측 가능한 방법이 필요한다. 꼬임의 방향과 양을 제어하면 꼬임이 무작위 인 경우보다 스핀 플립이 더 효율적이고 안정적으로 발생할 수 있다. DMI 제어는 또 다른 유형의 자성 메모리에서 중요한 역할을 한다. DMI가 충분히 강하면 이웃한 회전을 원형 와류 패턴으로 왜곡시킬 수 있으며 skyrmions라고하는 이국적인 자기 매듭을 만들 수 있다. 이러한 입자 모양의 매듭은 정보를 저장할 수 있으며 자성 박막의 존재 또는 부재가 많이 작용할 수 있고 전자 논리 회로의 1과 0과 같다. 연구원은 DMI를 규제함으로써 다른 유형의 자기 메모리보다 작동하는데 필요한 전력을 줄이고 자기 재료를 통해 모션을 유도 할 수 있는 skyrmions을 만들 수 있다. 연구자들은 Physical Review Letters에 자신의 연구 내용을 설명한다. 그들의 실험에서, 연구자들은 비자성 금속인 백금의 두 층 사이에 코발트 박막을 끼웠다. 그들은 이온 에너지에 따라 백금 막과 백금과 코발트 사이의 상단 경계를 거칠게 만드는 아르곤 이온으로 삼중 층을 충격했다. 과학자들은 더 높은 에너지의 아르곤 이온을 사용했을 때 DMI가 음의 값을 보였고 코발트의 반동을 반 시계 방향으로 비틀었으며 에너지가 낮은 아르곤 이온을 사용했을 때 DMI는 양의 값을 보였고 시계 방향으로 스핀을 비틀었다. 중간 에너지의 아르곤 이온에 노출되었을 때, DMI는 0이었으며, 시계 방향이나 시계 반대 방향으로 돌리면 똑같이 회전할 가능성이 높다. 연구팀은 자기 나노 입자 센서를 개발하기 위해 코발트 막의 자기 적 특성을 조정하면서 발견했다. 이로써 연구팀은 DMI를 조작하는 새로운 방법을 발견했다. 서로 다른 에너지를 가진 아르곤 이온은 코발트 내의 특정 영역을 겨냥할 수 있었기 때문에 연구팀은 DMI가 물질의 표면에 걸쳐 변화하는 코발트 막을 제조할 수 있었다. Dzyaloshinskii와 Moriya가 이 상호 작용을 발견한 지 60 년이 지난 지금, 다른 자기 특성과는 독립적으로 공간을 제어하는 새로운 공정은 DMI에 대한 새로운 과학적 연구를 가능하게 하고 새로운 나노 자기 소자의 제조를 가능하게 할 것이다. 마지막으로, 과학자들은 DMI를 제어하는 것이 실제로 나노 입자의 자기장에 대해 필름을 더 민감하게 만든다는 것을 발견했다. 이후, 연구팀은 연구가 수행된 Nanoscale Science and Technology의 NIST 센터 사용자를 위해 나노 입자 센서로 필름을 적용하는 연구 결과를 발표할 계획이다. |
