나노기술 및 정책 정보

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● 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이경진, 김세권 교수, 고려대학교 이동규 대학원생, 싱가포르국립대 양현수 교수, 이규섭 박사와 공동 연구팀은 반강자성체에서 초고속 마그논 전송을 실험적으로 관측하고 그 원리를 이론적으로 규명

● 연구팀은 반강자성 절연체인 산화니켈(NiO)에서 마그논 전송속도가 그동안 알려져 있던 최대 속도보다 10배 이상 빠름을 실험적으로 관측했고, 이러한 초고속 마그논 전송이 마찰력에서 기인함을 이론적으로 규명

● 산화니켈(NiO)은 반강자성 특성으로 인해 효율적인 마그논 전송이 가능하고, 전기적 절연특성으로 인해 스핀 정보 전송 시 열 손실이 없어 차세대 마그논 기반 스핀트로닉스 소자용 소재로 주목받고 있는 상황 

● 연구팀은 2019년 산화니켈(NiO)을 통한 마그논 전류가 매우 큰 스핀 각운동량을 전달하며 그 결과 효율적으로 자화를 반전시킬 수 있음을 보고한 바 있으며, 지난 연구는 마그논이 운반하는 스핀의 크기에 집중한 반면, 이번 연구는 그 속도에 집중

● 해당 연구는 나노미터(nm) 크기의 샘플에 대해 테라헤르츠 분광 장비(THz emission spectroscopy)를 활용해 마그논 속도를 직접 측정했으며, 그 결과 기존 간접 측정에서 보고되었던 40km/s에 비해 10배 이상 큰 650 km/s의 빠른 마그논 전송을 관측

● 이론 연구를 통해 이러한 초고속 마그논 전송이 산화니켈(NiO) 내에서 마그논이 경험하는 마찰력 때문인것과 마찰력을 갖는 반강자성 물질에서 마그논이 전송되는 경우 비정상적 마그논 분산관계로 인해 유사한 현상이 발생함을 제시 

● 연구팀은 해당 연구가 나노미터(nm) 두께의 정보 소자의 정보전달속도를 초고속 시분해능(~10 펨토초)로 분석하는 데 사용되고, 스핀트로닉스 분야 응용과 기초과학 모두에서 향후 관련분야 발전에 기여할 것으로 기대

※ 용어설명

- 반강자성체: 인접한 원자의 자기 모멘트들이 서로 반대방향으로 향하기 때문에 전체로서는 자력이 나타나지 않는 물질

- 마그논: 자기 양자의 줄여진 신조어로 양자화된 스핀 파동을 뜻하며 즉, 스핀파를 양자화한 준입자를 의미

※ Nature Nanotechnology 게재(2021.10.25.), “Superluminal-like magnon propagation in antiferromagnetic NiO at nanoscale distances”

※ 한국연구재단 지원