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물리 자석의 양자 상태를 읽어낼 수 있는 새로운 방법
2015.06.09 20:39
자석의 양자 상태를 읽어낼 수 있는 새로운 방법http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060084&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-08 | |
| 빛과 자석 사이의 강한 상호작용은 빛 또는 자석 자체가 가지고 있는 에너지와는 구별되는 에너지 준위를 가진 하이브리드 시스템을 만들어 낼 수 있다. 이런 강한 결합 영역에서, 양자 정보는 빛에서 자석으로 또는 역으로 쉽게 바뀔 수 있다. 이런 특징은 양자 정보 기술에서 유용할 수 있거나 또는 다른 것을 탐지하기 위한 하나의 성분으로 사용될 수 있다. 지금까지, 대부분의 실험은 빛에 대한 그것의 효과를 통한 강한 결합을 연구하였다. 캐나다 마니토바 대학의 연구진은 이런 방법 대신에 자석으로부터 직접적으로 강한 결합을 검출하였다. 이런 검출은 전기적 신호를 통하여 이루어졌으며, 이 결과는 그들의 디바이스가 간단한 전자기술로 자석의 양자 상태를 읽어낼 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있을 것으로 예상된다. 자성은 양자 현상이지만, 대부분의 자석은 고전적인 물리로 기술될 수 있다. 그 이유는 자석이 거대한 숫자의 스핀으로 구성되어 있기 때문이다. 예를 들어, 자석과 전자기파 사이의 결합은 많은 경우 맥스웰 방정식으로 완전히 나타낼 수 있다. 자석의 양자 특성은 그러나 공동 안에서와 같이 빛과 강하게 결합될 때에만 나타난다. 시작점은 양자 상태 안의 공동 속에 전자기파를 준비하여 필드 안의 포톤 개수가 좋은 양자수가 되게 하는 것이다. 공동과 자석 사이에서 강한 결합을 야기하는 것은 자석의 공명 주파수와 공동의 공명 주파수를 일치시키는 것을 포함한다. 이런 조건 하에서, 공동의 에너지와 양자 정보는 자석으로 전이될 수 있다. 결합이 해지되었을 때, 양자 정보는 자석 안에 저장된다. 강한 결합을 야기하면 상태를 다시 마이크로파 공동 안으로 전이하며, 이때 마이크로파로 읽어낼 수 있다. 이런 프로토콜의 핵심 요구사항은 에너지 전이가 마이크로파 공진기 또는 자삭의 붕괴 메커니즘보다 더 빨라야 한다는 것이다. 캐나다 연구진은 이런 방식을 채택하였지만 자석의 상태를 마이크로파로 간접적으로 읽어내는 대신에 그들은 자석으로부터 직접적인 신호를 수집하였다. 이런 신호는 이른바 스핀 펌핌 효과로 알려진 것에 의해서 만들어진다. 이것은 자석과 금속 사이의 경계에서 발생한다. 그들의 실험에서 자석은 10나노미터 두께의 플라티눔 층으로 뒤덮인 얇은 정사각형 모양의 이트륨-철-가넷(yttrium-iron-garnet)이다. 자석이 공동에 의해서 여기되면, 그것은 스핀 분극된 전류를 이웃한 금속층으로 전달하여 평형상태에 도달한다. 이런 스핀 전류는 횡방향 전하를 가진 전류에 의해 동반된다. 그리고 이런 스핀 펌핑 신호는 전통적인 전자기술에 의해서 검출될 수 있다. 이들 연구진은 이트륨-철-가넷을 선택하였다. 그 이유는 이 물질이 전기적으로 절연체인 자석이며 자기 공명 주파수가 기가헤르츠 영역으로서 마이크로파로 여기 가능하기 때문이다. 마이크로파의 진동하는 자기장은 자석에서 정렬된 스핀에 토크를 인가하며 그들의 세차를 여기시킨다. 이 실험은 자석 구조를 알루미늄 마이크로파에 삽입시키고 외부 자기장으로 자석의 공명 주파수를 공동의 공명 주파수에 조율시키는 것을 포함한다. 연구진은 이런 조율을 하면서, 공동으로부터 마이크로파의 스펙트럼을 측정하였으며 자석으로부터 펌핑 신호의 전기적 스핀 스펙트럼을 측정하였다. 연구진이 발견한 것은 전기적 신호와 공동이 모두 자석과 공동이 결합되지 않았을 때 날카로운 공명을 가지고 있지만 두 성분이 강하게 결합되면, 이런 공명이 넓게 퍼지고 두 개로 쪼개진다는 것이었다. 이 현상은 동일한 에너지를 가진 시스템이 상호작용할 때 발생한다. 그러나 마이크로파 스펙트럼의 피크와는 달리, 전기적 스펙트럼에서 피크는 강한 결합 영역에서 비대칭이 된다. 이런 차이는 스핀 펌핑이 자기적 여기에서만 민감하기 때문에 발생하는 것이다. 이런 민감도는 자기 시스템의 관점에서 강한 결합 영역에 대한 정보를 제공한다. 스핀 펌핑 신호는 강한 결합 영역에서 여기된 자석의 정도를 알려준다. 강한 결합은 초전도 회로, 공동 안에서 스핀 앙상블, 나노전기기계 장치, 자석과 같은 다수의 고체 상태 기반 하이브리드 양자 시스템에서 발견되었다. 현재, 이들 연구진은 고전적인 영역에서 강한 결합 물리를 조사하고 있다. 그러나 그들의 실험은 빛과 강하게 결합된 자석에 관한 정보를 전기적으로 읽어내는 것이 가능하다는 것을 시연하였다. 그리고 이 새로운 기술은 양자 수준에서 자기적 시스템을 조사할 수 있는 방법을 개발할 수 있게 해 줄 것이다. 궁극적으로, 이들의 연구는 전기적 디바이스와 통합될 수 있는 양자 상태 검출기 개발을 가능하게 해줄 것이다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.
첨부그림: 공동 안에서 마이크로파에 강하게 결합된 자석으로 이루어진 하이브리드 시스템. 자석의 자화 방향은 녹색 화살로 표시됨. 적색선은 자기장에서 자석의 에너지 준위를 표시함. |
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자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.
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