나노기술 및 정책 정보

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스위스, 독일 및 우크라이나의 물리학자들은 나노크기의 양자 센서를 사용하여 반 강자성 물질의 이전에 알려지지 않은 특정 물리적 특성을 탐색하는 데 성공함. 그 결과를 바탕으로 혁신적인 새로운 데이터 저장 매체에 대한 개념을 개발함.

반 강자성체는 자기적으로 정렬된 모든 재료의 90%를 차지함. 원자의 자기 모멘트가 서로 평행하게 배향되는 철과 같은 강자석과는 달리 반 강자석에서 자기 모멘트의 방향은 인접한 원자 사이에서 번갈아 나타남. 교류 자기 모멘트의 상쇄 결과로 반 강자성 물질은 비자성으로 나타나고 외부 자기장을 생성하지 않음.

반 강자석은 기존의 저장 매체에서 사용되는 강자석과 달리 자기 모멘트의 방향이 자기장에 의해 우연히 덮어 쓰여질 수 없기 때문에 데이터 처리에서 흥미로운 응용 분야에 활용할 수 있는 큰 잠재력을 보임. 최근 몇 년 동안 이러한 잠재력은 전 세계적으로 반 강자성 스핀 트로닉스의 새로운 연구 분야에 대한 흥미를 불러 일으킴.

연구진은 크롬(III) 산화물(Cr2O3)의 단결정을 조사함. 이 단결정은 거의 완벽하게 정렬된 시스템으로, 원자는 결함이 거의 없는 규칙적인 결정격자로 배열됨. 반 강자성 질서가 다른 방향을 갖는 두 영역(도메인)을 생성하는 방식으로 단결정을 변경할 수 있음.

이 두 도메인은 도메인 벽으로 구분되며, 지금까지 반 강자성체에서 이런 종류의 도메인 벽에 대한 실험은 고립된 경우와 세부 사항을 제한한 경우에만 성공함. 양자 센서의 높은 감도와 뛰어난 해상도 덕분에 도메인 벽이 비눗방울과 유사한 동작을 보인다는 것을 실험적으로 입증할 수 있었고, 비눗방울처럼 도메인 벽은 탄력적이며 표면 에너지를 최소화하는 경향이 있음. 따라서 그 궤적은 결정의 반 강자성 물질 특성을 반영하며 연구진이 수행한 시뮬레이션에 의해 확인된 바와 같이 높은 정밀도로 예측할 수 있음.

연구진은 제안된 새로운 저장 매체에 대한 열쇠를 쥐고 있는 과정에서 도메인 벽의 궤도를 조작하기 위해 이 사실을 이용함. 이를 위해 연구진은 결정의 표면을 나노스케일로 선택적으로 구조화하여 작은 융기 사각형을 남기고, 이 사각형은 제어된 방식으로 결정에서 도메인 벽의 궤적을 변경함.

연구진은 돌출된 사각형의 방향을 사용하여 도메인 벽을 사각형의 한쪽 또는 다른 쪽으로 지정할 수 있고, 이것이 새로운 데이터 저장 개념의 기본 원칙임.

향후 연구진은 도메인 벽이 전기장을 통해 이동할 수 있는지 여부를 조사할 계획임.

본 연구 성과는 Nature Physics (”Nanoscale mechanics of antiferromagnetic domain walls“)에 게재됨.