페로자성과 초전도는 함께 어울리지 않습니다. 일반적으로 이 두 현상은 서로 상쇄되는 것으로 알려져 있습니다. 페로자성은 일반적인 영구자석에 자기장을 부여하며, 초전도는 특정 물질을 일정 온도 이하로 냉각하면 내부 자기장을 추방합니다.
그러나 특이한 상황에서는 두 현상이 함께 작용할 수 있습니다. 이러한 상황 중 하나는 미래의 스핀트로닉 장치가 전자기 장치보다 더 빠르게 작동하고 더 적은 에너지를 소비하는 장치로서 유망할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 관련 내용을 전하도록 하겠습니다.
개요
연구자들은 이제 초전도체의 마이크로미터 규모 “섬”에 자기적 무늬를 새겨 그 위에 페로자성 물질을 덧씌웠습니다. 이러한 종류의 자기적 무늬는 일반적으로 매우 안정적이지 않지만, 이러한 섬들은 초전도체의 임계 온도 이상에서도 그 무늬를 유지합니다. 연구자들은 언젠가 “섬들의 군도”가 스핀트로닉 장치의 기억 장치로 사용될 수 있기를 희망합니다.
언급된 초전도체는 이트륨 바륨 구리 산화물 (YBCO)입니다. YBCO는 -181°C 아래에서 초전도체로 작동합니다. YBCO가 이 임계 온도 이하로 냉각되면, 그 내부를 통과하는 모든 자기장 선들이 외부로 추방됩니다. 그러나 연구자들은 여전히 새로운 외부 자기장을 통해 YBCO 내부를 통과하는 자기장 선들을 생성할 수 있습니다. 그 자기장을 빠르게 끄는 방법을 사용합니다.
페로자성 물질
연구자들은 비 초전도성 페로자성 물질을 YBCO 위에 층층이 쌓으면, 그들은 초전도체를 통해 임시 자기 무늬를 찍어내고 그것들을 페로자성 물질에 “쓸” 수 있다는 것을 발견했습니다. 그런 다음, 외부 자기장이 꺼진 후에도 페로자성 물질은 이 무늬를 유지합니다. 이것은 스핀트로닉 분야에서 매우 흥미로운 능력입니다. 이미 이러한 종류의 자기 구조를 오늘날의 대부분 전자 장치의 기초인 CMOS 트랜지스터 대신 컴퓨터 메모리로 사용하는 방법을 연구하고 있는 분야입니다.
만약 스핀트로닉스가 실온에서 작동할 수 있다면, 이 능력을 훨씬 더 효율적으로 활용할 수 있을 것입니다. 보통의 상황에서는 이러한 일이 일어나지 않아야 합니다. YBCO 기반이 -181°C보다 높은 온도로 가열되면, 그 위의 페로자성 물질에 기록된 내용은 사라져야 합니다. 그러나 이전 실험에서, 연구자들은 페로자성 물질이 그 결정적인 온도보다 훨씬 높은 온도에서도 그 무늬의 흔적을 유지하는 것을 발견했습니다. 연구에 참여한 헬름홀츠 에너지 및 재료 연구소의 물리학자인 Sergio Valencia는 “우리는 찍힌 패턴이 완전히 사라지지 않았음을 관찰했습니다. 찍힌 상태가 일부 기억으로 유지되었습니다”라고 말했습니다.
Valencia와 그의 동료들은 이 유지의 원인을 식별할 수 있었습니다: YBCO 위에 생긴 소량의 산화 구리 입자가 페로자성 물질 아래에 존재하는 것입니다. 실제로 이러한 결함들은 페로자성 물질의 일부 자기장을 안정화하는 데 도움이 되었습니다.
이러한 지식은 연구자들이 초전도 “섬” 그룹을 제작하도록 가능케 했습니다. 각 섬은 지름 약 2 마이크로미터이며 페로자성 물질(니켈 80%와 철 20%의 혼합물)이 부착되어 있었습니다. 연구자들은 자기장을 사용하여 각 섬의 페로자성 물질을 토네이도 모양의 자기 패턴으로 새겼습니다. 이러한 종류의 자기 토네이도는 여러 해 동안 스핀트로닉스 연구자들의 관심사였습니다. 연구자들은 두 가지 유형의 토네이도를 만들었습니다: 하나는 정사각형 구멍 안에 들어가고, 다른 하나는 원형 구멍 안에 들어갔습니다.
이러한 섬들을 실제로 연구하기 위해서는, 시놉트론의 고출력 X선으로 전자들을 자극하여 그들의 이미지를 얻어야 했습니다. 연구자들은 각각의 종류의 토네이도가 실온에 가까운 온도로 가열될 때 어떻게 유지되는지를 연구했습니다. 완벽한 것은 아니지만, 원형 토네이도가 정사각형 토네이도보다 더 잘 유지되었습니다.
어느 유형도 유지되었다는 것 자체가 잠재적으로 유망한 성과입니다. 현재 이러한 자기 패턴을 작성하고 수정하는 것은 어렵습니다. 다시 말해, 이러한 패턴의 기초가 되는 전자들의 스핀을 조작하는 것은 엔지니어들이 스핀트로닉 장치의 메모리에 이러한 패턴을 활용하려면 해야 할 일입니다. 연구자들은 그들의 연구가 아직 발견되지 않은 다양한 종류의 섬이나 다른 구조를 탐구하는 데 템플릿이 될 수 있기를 희망합니다.
“우리의 연구가 다양한 화합물에서 이러한 자기 구조를 얻는 방법을 보여줌으로써, 이러한 기능적인 스핀트로닉 시스템을 최적화하는 데 도움이 될 수 있기를 희망합니다. 이는 다양한 속성을 가진 더 넓은 범위의 재료를 조사할 수 있도록 해줄 것입니다.”라고 Valencia는 말합니다.
마무리
이번 포스팅에서는 연구자들의 노력을 통해 새로운 자기 구조를 얻는 방법을 탐구함으로써, 스핀트로닉 시스템의 기능을 최적화하는 가능성을 열었습니다. 이를 통해 다양한 속성을 가진 다양한 재료를 조사할 수 있게 되었으며, 앞으로 더 넓은 범위의 응용 가능성을 탐구할 수 있을 것으로 기대됩니다.