나노기술 및 정책 정보

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전자는 자연의 기본 입자 중 하나로, 그 행동은 디지털 데이터를 저장하는 새로운 방법에 대한 단서를 유지함.

미국 미시간 공과대학 연구진은 물리학 용량 개선 및 디지털 데이터 저장 기술의 크기를 축소하는 대체 물질을 탐구하고, 새로운 나노 와이어 설계 뒤에 있는 물리학을 설명함.

연구진은 스핀이라는 속성 덕분에 전자는 작은 자석처럼 행동하며, 막대 자석의 자화가 남쪽에서 북쪽을 가리키는 쌍극성인 것과 유사하게, 재료의 전자는 재료의 자화를 설명하는 자기 쌍극자 모멘트 벡터를 가지고 있다고 설명함.

이러한 벡터가 임의의 방향이면 재질은 비자성이고, 서로 평행할 때, 이를 강자성이라고 하며, 반 평행 정렬은 반 강자성임. 현재 데이터 저장 기술은 데이터가 작은 강자성 영역에 저장되는 강자성 물질을 기반으로 함. 이 때문에 강력한 자석이 휴대폰이나 기타 전자 저장 장치를 손상시킬 수 있음.

자화 방향(위 또는 아래를 가리키는)에 따라 데이터는 강자성 영역에서 비트(1 또는 0)로 기록됨. 그러나 두 가지 병목 현상이 있으며 둘 다 근접성에 달려 있음. 첫째, 외부 자석을 너무 가까이 가져오면 자기장이 영역에서 자기 모멘트의 방향을 바꾸고 저장 장치를 손상시킬 수 있음. 둘째, 도메인은 각각 자체 자기장을 가지고 있으므로 서로 너무 가까울 수 없음. 더 작고 유연하며 다재다능한 전자 제품의 과제는 강자성 영역을 안전하게 분리하기 어렵게 하는 장치를 요구한다는 것임.

연구진은 초 고밀도 데이터 패킹은 강자성 메모리 도메인에서 어려운 작업이 되는 반면에 반향 자성 물질은 이러한 문제에서 자유롭다고 설명함.

자체적으로 반 강자성 재료는 전자 장치에 적합하지 않지만 외부 자기장의 영향을 받지 않음. 자기 조작에 저항하는 이 능력은 연구 커뮤니티에서 더 많은 관심을 받기 시작했으며 연구진은 전자-전자 상호작용을 고려하는 예측 양자 다 물체 이론을 사용함. 연구팀은 게르마늄 코어와 실리콘 쉘이 있는 크롬 도핑 나노 와이어가 반 강자성 반도체일 수 있음을 발견함.

최근 여러 연구 그룹이 전류와 레이저를 사용하여 반 강자성 재료에서 개별 자기 상태의 조작을 시연했음. 그들은 현재 데이터 저장 장치에서 사용되는 주파수보다 훨씬 빠른 테라 헤르츠 주파수에서 스핀 역학을 관찰함. 이 관찰은 반 강자성에 대한 과다한 연구 관심을 불러 일으켰으며 더 빠르고 대용량 데이터 저장으로 이어질 수 있음.

최근 연구에서 연구진은 나노 와이어의 반도체 특성을 파괴하지 않고 반 강자성체의 흥미로운 특징을 저 차원의 CMOS(complementary metal-oxide compatible semiconductor) 나노 와이어에 성공적으로 활용했고, 이는 더 높은 용량의 데이터 저장 및 조작을 통해 더 작고 스마트한 전자 제품에 대한 가능성을 열어줌.

연구에서 가장 흥미로운 부분은 반 강자성(antiferromagnetism)을 지시하는 메커니즘을 발견하는 것으로, 이 메커니즘을 superexchange라고하며 전자의 스핀과 반 강자성을 만드는 반 평행 정렬을 제어함. 연구진의 나노 와이어에서 게르마늄 전자는 연결되지 않은 크롬 원자 사이의 교환기 역할을 함.

전자가 원자들 사이에서 통신하는 방법을 더 잘 이해하면 더 많은 실험을 통해 크롬 도핑 나노 와이어와 같은 물질의 잠재력을 테스트할 수 있음. 게르마늄-실리콘 나노 와이어 재료의 반 강자성 특성을 더 잘 이해하면 더 작고 스마트하며 더 높은 용량의 전자 제품에 대한 잠재력이 높아짐.

본 연구 성과는 Nano Letters ("Cr-Doped Ge-Core/Si-Shell Nanowire: An Antiferromagnetic Semiconductor")에 게재됨