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네덜란드의 라드바우드 대학교(Radboud University Nijmegen) 연구팀이 자석에서 회전 패턴을 만드는 훨씬 더 빠른 접근 방식을 발견했음. 이 지름길은 토폴로지 연구의 새로운 장을 열어둠. 이 발견은 또한 보다 효율적인 자기 데이터 저장을 달성하기 위한 추가 방법을 제공함. 물리학자들은 이전에 레이저 광이 자기 스핀 패턴을 생성할 수 있음을 입증했음. 이제 그들은 300 피코 초 (피코 초는 100 만분의 1 초)보다 훨씬 더 빠르게 이를 수행할 수 있는 새로운 경로를 발견했음. 이것은 이전에 가능하다고 생각했던 것보다 훨씬 빠름.

자석은 스핀이라고 하는 많은 작은 자석으로 구성됨. 일반적으로 모든 스핀은 자석의 북극과 남극을 결정하는 동일한 방향을 가리킴. 그러나 스핀의 방향은 때때로 스커미온(skyrmions)으로 알려진 소용돌이 모양의 구성을 형성함. 자석에 있는 이러한 스커미온은 새로운 유형의 데이터 저장소로 사용될 수 있음. 수년 동안 연구팀은 레이저 광으로 자기를 제어하고 궁극적으로 보다 효율적인 데이터 저장을 위해 이를 사용하는 최적의 방법을 찾고 있었음. 이 기술에서는 매우 짧은 빛의 펄스가 자성 물질에 방출됨. 이것은 재료의 자기 회전을 반전시켜 비트를 0에서 1로 변경시킴. 자기 스핀이 소용돌이 모양의 스커미온을 취하면 이 구성을 지우기가 어려움. 또한 이러한 스커미온은 크기가 몇 나노미터에 불과하므로 매우 작은 재료에 많은 데이터를 저장할 수 있음.

자석에서이 두 상태 사이의 위상 전이(한 방향으로 스커미온을 가리키는 모든 스핀)는 높은 산 위에 난 도로와 비슷함. 연구자들은 레이저 펄스로 물질을 매우 빠르게 가열하여 산을 통과하는 지름길을 취할 수 있음을 발견했음. 이에 따라 위상 천이의 임계값은 매우 짧은 시간 동안 낮아짐. 이 새로운 접근 방식의 주목할 만한 측면은 재료가 처음에 매우 혼란스러운 상태로 전환된다는 것임. 이 상태에서는 재료의 스커미온 수로 볼 수 있는 토폴로지가 크게 변동함. 연구원들은 함부르크의 유럽 자유 전자 레이저 장치에서 생성된 X선을 매우 진보된 전자 현미경 및 스핀 역학 시뮬레이션과 결합하여 이 접근 방식을 발견했음.

이 근본적인 발견은 토폴로지 연구의 새로운 장을 열었음. 이제 더 많은 과학자들이 다른 재료에서 '산을 통해 지름길을 택하는' 유사한 방법을 찾기 시작할 것으로 예상됨. 이 발견은 또한 더 빠르고 효율적인 데이터 스토리지를 생성하는 새로운 접근 방식을 가능하게 함. 예를 들어 클라우드의 대용량 데이터 스토리지에 필요한 거대하고 에너지 소모가 많은 데이터 센터로 인해 이에 대한 필요성이 증가하고 있음. 자기 스커미온은 이 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있음. 그것들은 매우 작고 빛으로 매우 빠르게 생성될 수 있기 때문에 많은 정보가 작은 영역에 매우 빠르고 효율적으로 저장될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ (“Observation of fluctuation-mediated picosecond nucleation of a topological phase”) 지에 게재됨