나노기술 및 정책 정보

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자석은 종종 숨겨진 아름다움을 품고 있음. 간단한 냉장고 자석을 예로 들어 보면, 다소 반 직관적으로 한쪽은 '끈적'하지만 다른 쪽은 아님. 비결은 자화가 재료 내에서 잘 정의된 패턴으로 배열되는 방식에 있음. 보다 복잡한 자화 텍스처는 하드 디스크 드라이브와 같은 많은 현대 기술의 핵심임.

스위스의 Paul Scherrer Institute 연구팀과 국제공동연구팀은 작은 기둥 내부에서 예상치 못한 자기 구조를 발견했다고 보고했음. 자성 물질 가돌리늄 코발트에서 자기 소용돌이 고리로 확인된 서브 마이크로미터 고리 모양의 구성을 관찰한 것임. 미적 매력을 훨씬 뛰어 넘는 이러한 텍스처는 대량의 자석에서 발생하는 더욱 복잡한 3 차원 구조로 가는 길을 가리킬 수 있으며 언젠가는 새로운 기술 응용의 기반이 될 수 있음. 자석 내에서 자화 배열을 결정하는 것은 특히 표면 바로 아래의 얕은 층을 분석하는 것으로 연구가 제한되는 마이크로 및 나노 규모의 구조에서 매우 어려움. 2017 년 PSI와 ETH Zurich의 연구원들이 벌크 자석의 나노 단층 촬영을 위한 새로운 X 선 방법을 도입하여 스위스 광원 SLS의 실험에서 이를 입증했음. 이러한 발전은 자석의 내부 수명에 대한 독특한 창을 열어 마이크로미터 크기의 샘플 내에서 나노 스케일로 3 차원 자기 구성을 결정하는 도구를 제공했음. 이러한 기능을 활용하여 관찰한 놀라운 루프 모양은 이전에 발견했던 것과 동일한 가돌리늄 코발트 마이크로 기둥 샘플에서 나타났음. 이전에는 소용돌이(물이 싱크대에서 나선형으로 내려갈 때 나타나는 일종의 구조)로 구성된 복잡한 자기 구성과 그 토폴로지 대응물인 항 와류로 구성되어 있음. 그것은 처음이었지만 이러한 텍스처의 존재 자체는 놀라운 것이 아님. 그러나 예상치 않게 과학자들은 소용돌이와 반 와류 쌍으로 구성된 고리도 발견했음. 그 관찰은 처음에는 당혹스러웠음. 새롭고 정교한 데이터 분석 기술을 구현하여 결국 이러한 구조가 소위 소용돌이 고리(본질적으로 도넛 모양의 소용돌이)라는 사실을 확인했음. 소용돌이 고리는 연기 고리가 날리는 것을 본 사람이나 돌고래가 고리 모양의 기포를 생성하는 것을 본 모든 사람에게 친숙한 것임. 새로 발견된 자기 소용돌이 고리는 그 자체로 매력적임. 그들의 관찰은 약 20 년 전에 이루어진 예측을 입증 할뿐만 아니라 그러한 구조가 존재할 수 있는지에 대한 질문을 해결함. 그들은 또한 놀라움을 제공했음. 특히, 자기 소용돌이 고리는 일시적인 현상으로 예측되었지만 현재 보고된 실험에서는 이러한 구조가 현저하게 안정된 것으로 나타났음. 자기 소용돌이 링의 안정성은 중요한 실질적인 의미를 가짐. 하나는 연기 고리가 공기를 통해 안정적으로 이동하거나 공기 방울이 물을 통해 이동하기 때문에 잠재적으로 자성 물질을 통해 이동할 수 있음. 자석 볼륨 내에서 링을 제어하는 방법을 배우면 에너지 효율적인 3D 데이터 저장 및 처리에 대한 흥미로운 전망을 열 수 있음. 자기 소용돌이 고리가 연기와 거품에 대해 불가능한 형태를 취할 수 있기 때문에 이러한 새로운 구조의 물리학에도 관심이 있음. 팀은 이미 몇 가지 독특한 구성을 관찰했으며 앞으로 더 많은 탐구를 통해 빛을 발하면서도 더 자기적인 아름다움을 선사할 것으로 기대함.

본 연구 성과는 ‘Nature Physics’ (“Experimental observation of vortex rings in a bulk magnet”) 지에 게재됨.