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[물리] 단지 5개의 철 원자로 구성된 세계에서 가장 작은 자석 개발
2013.01.13 00:39
단지 5개의 철 원자로 구성된 세계에서 가장 작은 자석 개발http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013010136&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-01-09 | |
| 독일 함부르크(Hamburg) 대학의 물리학자들은 단지 5개의 철 원자들로 구성된 세계에서 가장 작은 안정적인 강자성 물질을 제작하였다. 이 자석들은 그들의 특별한 양자 특성을 이용한 원자 스핀 요소에 기반한 차세대 자기 저장 기술로 이용될 수 있을 것이다. 자석의 특이한 특성으로 정보 기술에서 의료용 영상에 이르기까지 다양한 기술에 사용되고 있다. 저장 기술의 경우, 기본적인 저장 단위인 “비트”를 더 작게 만드는 문제가 계속 주목받고 있다. 이것은 안정적인 자석이 얼마나 작아질 수 있는가에 대한 문제이다. 즉, 오랜 시간 동안 자석이 그것의 방향을 바꾸지 않고 유지할 수 있는가 하는 것이다. 그와 같은 안정성은 정보를 자석 안에 저장하기 위해서 필요한 것이다. 더 많은 정보를 더 작은 면적 안에 저장시키기 위해서, 궁극적으로 단일 원자 안에 자기 정보를 쓰고 읽어낼 수 있는 것을 목적으로 하는 광범위한 연구가 진행 중이다. 그러나 자석이 원자 수준으로 작아지게 되면, 그것들은 안정성을 잃어버리고 자석의 자화 방향이 임의적으로 바뀌게 되어 오랜 시간 동안 정보를 안정적으로 저장하는 것이 어려워진다는 문제점이 있다. 그와 같은 나노 자석이 어떻게 뒤집어지고 그것들이 어떻게 전류에 반응하는지에 대한 고유 특성은 현재 연구에서 핵심적인 문제이다. 그 이유는 이런 양자 거동 특성을 예측할 수 있는 것은 정보 저장 기술에 있어서 매우 중요한 문제이기 때문이다. 그와 같은 나노 자석들은 현재 기술에서 사용되고 있는 일반적인 자석보다 수천 배 더 작다. 이런 자석들의 크기는 사람 머리카락 두께보다 백만 배나 더 작기 때문에, 그와 같은 자석들을 동시에 제작하고 원자 크기 스케일에서 그와 같은 자석의 자기적 특성을 알아내는 것은 어려운 문제이다. 최근 기술은 나노 자석을 조절하면서 제작하고 동시에 그것들의 각 자기적 특성을 측정할 수 있는 것이 가능한 방향으로 진보하고 있다. 이들 연구진은 이제 세계에서 가장 작은 자석을 제작하고 단일 원자 수준에서 그와 같은 자석의 동역학적 특성을 조사할 수 있는 방법을 시연하였다. 그와 같은 자석들은 단지 5개의 철 원자들로 이루어졌으며 하드디스크 드라이브 기술을 위한 궁극적인 크기한계로서 구리 표면상에 조립되었다. 이들 연구진은 스핀 분극 주사 투과 현미경(SP-STM)을 절대온도 0도보다 약간 더 높은 온도에서 가동시켜 연구를 수행하였다. 이와 같은 현미경으로, 연구진은 전통적인 광학 현미경이 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 좋은 분해능으로 표면상에서 단일 원자 수준의 물체를 보는 것을 가능하게 하였다. 스핀 분극 주사 투과 현미경의 장점은 그것이 원자 수준의 날카로운 자기적 바늘을 사용하여 단일 원자들 위에 자유롭게 이동하여 원자들의 자화 방향을 감지할 수 있다는 것이다. 추가적으로, 이 장비는 자기적 탐침의 끝을 이용하여 단일 철 원자를 원자 수준의 정밀도로 움직이게 할 수 있다는 특징도 있다. 시료와 팁 사이의 스핀 분극 투과 전류는 단일 원자의 자기적 특성 영상을 얻게 해 줄 수 있을 뿐만 아니라 전기적 스핀의 주입에 대한 그와 같은 원자의 반응도 조사할 수 있게 해준다는 장점이 있다. 함부르크 대학 연구진은 최근 이런 방법들이 원자 스핀 기반 논리 회로를 수행하는데 이용될 수 있다는 것을 시연하였다. 그와 같은 실험이 자성 물리학의 기본적인 문제들을 이해하는데 크게 도움이 됨에도 불구하고, 아직도 해결해야 할 문제들이 남아 있다. 예를 들면, 안정적이지 않은 자기적 상태를 보이는 철과 같은 단일 원자와 고정된 북극과 남극을 가진 안정된 자기방향을 보이는 일상적인 자석 사이에 어떤 연관이 있는지와 같은 문제이다. 더구나 그와 같은 안정적인 자석이 이런 크기 스케일에서 제작될 수 있다면, 기술 개발을 위해서 그와 같은 자석이 전류에 어떻게 반응하는지를 이해하는 것이 중요하다. 함부르크 대학 연구진은 이제 원자 수준으로 평평한 구리 표면상에 놓인 다섯 개의 철 원자들이 하나의 안정적인 자석으로 조립될 수 있으며 양자 자석과 같은 자기적 특징을 가진다는 것을 보여주었다. 전류를 이용한 방법이 전기적으로 자석에 정보를 쓰기 위해서 사용되었다. 이른바, 스핀 전이 토크(spin transfer torque) 효과가 하드 드라이브의 벌크 자석의 필요성을 치환하고 효율적인 정보 프로세싱을 가능하게 해준다. 그러나 자석이 원자 수준으로 작아지면, 양자 효과가 매우 중요해져 그것들의 안정성과 같은 보통 자석들의 거동이 극적으로 바뀌게 된다. 또한 전류에 대한 반응도 크게 변화된다. 원자와 전통적인 보통 자석 사이의 연결에 대해서 아직 풀리지 않은 문제들이 남아있다. 예를 들면, 구성된 자석을 안정화시키는데 얼마나 많은 원자들이 필요한지와 같은 것이다. 그와 같은 안정적인 자석은 오랜 시간 동안 안정적인 자성 상태를 유지할 수 있으며 궁극적으로 전류의 주입으로 조절될 수 있어야 한다. 사람들은 그와 같은 크기의 시료들을 성장시킬 수 있지만, 원자 수준으로 조작하고 조사하는 것은 지금까지 어려운 문제였다. 더구나, 양자 효과가 어떻게 자기적 안정성을 변화시킬 것인지에 대해서는 아직도 해결사항이다. 함부르크와 취리히 대학의 이론 물리학자들의 공동 연구를 통하여, 그와 같은 자석의 반응을 기술하는 것이 가능해졌다. 이들은 그와 같은 작은 길이 스케일에서만 주도적인 양자 기계적 이완을 고려하였다. 앞으로 기술이 이런 한계에 근접하기 때문에, 함부르크 대학의 연구는 그와 같은 상호작용이 어떻게 조절되어 안정적인 자석을 디자인할 수 있는지를 보여주었다. 더구나, 이 연구는 궁극적으로 각각의 자기 원자들의 공간적, 자기적 및 시간적 분해능의 궁극적 결합으로써, 스핀 기반 기술을 원자 수준으로 작아지게 하는 차세대 기술 개발을 가능하게 할 것이다. 첨부 그림 1: 안정적인 나노 자석의 제작전(A) 및 후(B)에 얻은 구리 표면 상의 5개 철 원자들의 주사 투과 현미경 사진. 그림 (C)는 그와 같은 자석들이 어떻게 하드 드라이브 안에 조립될 수 있는지를 보여주는 삽화, 여기서 각 상태는 정점에서 자기적 센싱 바늘을 가진 주사 투과 현미경의 원자 수준의 날카로운 금속성 팁에 의해서 읽고/쓰여짐. | |
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