나노기술 및 정책 정보

• 목록

Skyrmions는 데이터 저장 산업을 혁신하고 새로운 컴퓨터 아키텍처를 가능하게 할 수 있는 작은 자성 물체임. 그러나 이러한 응용 프로그램에서 활용되기 전에 극복해야 할 많은 과제가 있음.

스위스의 연방 연구소(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) 연구팀이 두 가지 유형의 스커미온("0"과 "1"의 미래 비트)이 실온에서 존재하면서 조정 가능한 다층 시스템을 생산하는 데 처음으로 성공했음.

우리 중 많은 사람들은 여전히 학교의 단순한 물리적 원리에 익숙할 것임. 그러나 북극과 남극에 대한 이러한 일반적인 지식은 원자 수준에서 일어나는 일을 볼 때 매우 복잡해짐. 이러한 미세한 규모의 원자 사이의 자기 상호 작용은 시커미온과 같은 고유한 상태를 생성할 수 있음. 스커미온은 매우 특별한 특성을 가지며 나노미터 이하 두께의 다른 금속층의 "스택"과 같은 특정 재료 시스템에 존재할 수 있음. 크기가 몇 나노미터에 불과한 스커미온에 기반한 최신 컴퓨터 기술은 데이터를 저장하고 처리하는 매우 컴팩트하고 초고속 방법을 가능하게 할 것임. 예를 들어, 스커미온의 데이터 저장에 대한 한 가지 개념은 비트 "1"과 "0"이 주어진 스커미온의 존재 및 부재로 표시된다는 것임. 따라서 이 개념은 "경마장" 메모리에 사용될 수 있음. 그러나 데이터 전송 중에 값 "1"에 대한 skyrmion과 값 "0"에 대한 skyrmion 간격 사이의 거리가 일정하게 유지되어야 함. 그렇지 않으면 큰 오류가 발생할 수 있음. 더 나은 대안으로 "0"과 "1"의 표현에 서로 다른 크기의 스커미온을 사용할 수 있음. 그런 다음 진주 사이의 거리가 큰 역할을 하지 않고 진주 목걸이처럼 끈으로 운반될 수 있음. 두 가지 유형의 스커미온(skymion and skymion bobber)의 존재는 지금까지 이론적으로 만 예측되었으며 특별히 성장한 단결정 재료에서만 실험적으로 보여졌음. 그러나 이 실험에서 스커미온은 극도로 낮은 온도에서만 존재함. 이러한 제한으로 인해 이 재료는 실제 적용에 적합하지 않았음. 연구팀은 이제 이 문제를 해결하는 데 성공했음. 나노미터 두께의 다양한 강자성, 귀금속 및 희토류 금속층으로 구성된 다층 시스템을 생산하여 상온에서 존재할 수 있도록 하였음. 연구팀은 Empa에서 개발한 자기력 현미경을 사용하여 초박형 강자성 다층 시스템에서 스커미온 특성을 연구했음. 최근 실험을 위해 이리듐(Ir), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt) 및 희토류 금속 테르븀(Tb) 및 가돌리늄(Gd)과 같은 금속으로 만든 재료 층을 제작했음. 연구진은 Ir/Fe/Co/Pt 층의 조합이 5 번 겹쳐진 스커미온을 생성하는 두 개의 강자성 다층 사이에 TbGd 합금층과 Co 층으로 구성된 페리자성층을 삽입했음. 이 레이어의 특징은 자체적으로 스커미온을 생성할 수 없다는 것임. 반면에 바깥 쪽 두 층은 많은 수의 스커미온을 생성할 수 있음. 연구진은 자기 특성이 외부층에 의해 영향을 받을 수 있도록 중앙층에서 두 금속 Tb와 Gd의 혼합 비율과 TbGd 및 Co 층의 두께를 조정하여 강자성층의 스커미온을 중앙 페리자성층을 강제로 투과시킴. 그 결과 두 가지 유형의 스커미온이 존재하는 다층 시스템이 생성됨. 두 가지 유형의 스커미온은 크기와 강도가 다르기 때문에 자기력 현미경으로 쉽게 구별할 수 있음. 더 강한 자기장을 생성하는 큰 스커미온은 전체 다층 시스템, 즉 중간 페리자성층을 관통함. 반면에 더 작고 약한 스커미온은 두 개의 외부 다층에만 존재함. 이것은 데이터 처리에서 스커미온의 가능한 사용과 관련하여 최신 결과의 큰 의미임. 바이너리 데이터(0 및 1)를 저장하고 읽으려면 두 가지 다른 유형의 스커미온을 명확하게 구분할 수 있어야 함. 자기력 현미경을 사용하여 이러한 다층의 개별 부품을 서로 비교했음. 이를 통해 연구팀은 서로 다른 스커미온이 발생하는 레이어를 결정할 수 있었음. 또한, 마이크로 자기 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험 결과가 확인되었음. 이러한 시뮬레이션은 비엔나와 메시나 대학의 이론가들과 협력하여 수행되었음. 연구팀이 스퍼터링 기술을 사용하여 개발한 다층은 원칙적으로 산업 규모에서도 생산될 수 있음. 또한 향후 유사한 시스템을 사용하여 저장 밀도가 훨씬 더 높은 3 차원 데이터 저장 장치를 구축 할 수도 있음. 이러한 메모리의 개념은 2004 년 IBM에서 설계되었음. 이것은 자성 영역(예 : 자기적으로 정렬 된 영역)을 통해 한 곳에 정보를 기록한 다음 전류를 통해 장치 내에서 빠르게 이동하는 것으로 구성됨. 1 비트는 그러한 자기 영역에 해당함. 예를 들어 이 작업은 스커미온이 수행 할 수 있음. 이러한 자기 정보 유닛의 캐리어 재료는 나노 와이어로 사람의 머리카락보다 천 배 이상 얇기 때문에 매우 컴팩트한 형태의 데이터 저장을 약속함. 전선을 따라 데이터를 전송하는 것은 기존 플래시 메모리보다 약 100,000 배 더 빠르고 에너지 소비가 훨씬 더 적게 작동함.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Coexistence of distinct skyrmion phases observed in hybrid ferromagnetic/ferrimagnetic multilayers") 지에 게재됨