나노기술 및 정책 정보

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모스크바 물리 및 기술연구소(Moscow Institute of Physics and Technology)의 국제공동연구팀이 짧은 레이저 펄스를 통해 나노구조 비스무트 철 가넷 필름에서 스핀파(Spin Waves)를 제어하는 ​​새로운 방법을 시연함. 이 솔루션은 에너지 효율적인 정보 전송 및 스핀 기반 양자컴퓨팅에 응용할 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 입자의 회전은 항상 방향이 있는 고유한 각운동량임. 자화된 재료에서 회전은 모두 한 방향으로 향함. 이 자기 질서의 국부적 파괴는 양자를 매그논(Magnons)이라고 하는 스핀파의 전파를 동반함. 전류와 달리 스핀파 전파는 물질의 이동을 포함하지 않음. 결과적으로 정보를 전송하기 위해 전자 대신 매그논을 사용하면 열 손실이 훨씬 적음. 데이터는 스핀파의 위상 또는 진폭으로 인코딩되고 파동 간섭 또는 비선형 효과를 통해 처리 될 수 있음.

Magnon을 기반으로 한 간단한 논리 구성요소는 이미 샘플 장치로 사용할 수 있음. 그러나 이 새로운 기술을 구현하는 데 따르는 과제 중 하나는 특정 스핀파 매개 변수를 제어해야한다는 것임. 많은 점에서 흥미진진한 매그논은 광학적으로 다른 수단보다 더 편리함. 연구진은 나노구조의 비스무트 철 가넷에서 스핀파를 여기시켰음. 나노 패터닝 없이도 이 재료는 독특한 광자기 특성을 가지고 있음. 자기 감쇠가 낮기 때문에 매그논이 실온에서도 먼 거리에 전파 될 수 있음. 또한 근적외선 범위에서 광학적으로 매우 투명하며 Verdet 상수가 높음. 연구에 사용 된 필름은 정교한 구조를 가지고 있었음. 윗 부분은 450 나노미터 주기로 1 차원 격자가 형성되어 있고 하부층은 매끄럽게 만들어져있음. 이것을 통해 이 구조를 가지지 않은 필름에서는 불가능한 매우 특정한 스핀 분포를 가진 매그논의 여기를 가능하게 함. 자화 세차를 여기하기 위해 팀은 선형 편광 펌프 레이저 펄스를 사용했는데, 그 특성은 스핀 역학과 생성된 스핀파의 유형에 영향을 미쳤음. 중요한 것은 파동 여기는 열 효과가 아닌 광 자기에서 발생했음. 연구원들은 샘플의 상태를 추적하고 스핀파 특성을 추출하기 위해 250 펨토초 프로브 펄스에 의존했음. 프로브 펄스는 펌프 펄스에 대해 원하는 지연으로 샘플의 어느 지점 으로든 보낼 수 있었음. 이것은 주어진 지점에서 자화 역학에 대한 정보를 산출하며, 이는 스핀파의 스펙트럼 주파수, 유형 및 기타 매개 변수를 결정하기 위해 처리될 수 있음. 나노 패턴은 또한 다양한 유형의 스핀파를 생성할 수 있게 함. 레이저 펄스의 입사각, 파장 및 편광은 나노구조 특성에 의해 결정되는 샘플의 도파관 모드의 공진 여기를 가능하게 하여 여기된 스핀파의 유형을 제어 할 수 있음. 광 여기와 관련된 각 특성은 원하는 효과를 생성하기 위해 독립적으로 변경될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ (“All-Dielectric Nanophotonics Enables Tunable Excitation of the Exchange Spin Waves”) 지에 게재됨.