NTNU의 연구원들은 매우 밝은 X선을 이용해 영화를 만들어 작은 규모의 자성 물질에 대한 새로운 정보를 얻고 있습니다.
NTNU 전자시스템학과 산화물 전자 연구팀 공동 책임자인 에릭 폴벤(Erik Folven)과 NTNU 및 벨기에 겐트 대학교의 동료들은 박막 마이크로자석이 외부 자기장에 의해 교란될 때 어떻게 변화하는지 관찰했습니다. NTNU 나노(NTNU Nano)와 노르웨이 연구 위원회(Research Council of Norway)의 지원을 받은 이 연구는 Physical Review Research 저널에 게재되었습니다.
작은 자석
에이나르 슈탄달 디게르네스는 실험에 사용된 작은 정사각형 자석을 발명했습니다.
NTNU 박사과정생인 에이나르 스탄달 디게르네스가 만든 작은 정사각형 자석은 너비가 불과 2마이크로미터이고, 4개의 삼각형 영역으로 나뉘며, 각 영역은 자석 주위를 시계 방향이나 시계 반대 방향으로 가리키는 다른 자기 방향을 갖습니다.
어떤 자성 물질에서는 더 작은 원자 그룹이 모여 도메인이라는 영역을 형성하는데, 이 영역에서 모든 전자는 동일한 자기적 방향을 갖습니다.
NTNU 자석에서 이러한 도메인은 중심점인 소용돌이 코어에서 만나며, 여기서 자기 모멘트는 재료 평면의 안이나 밖을 직접 가리킵니다.
"자기장을 가하면 이러한 도메인들이 점점 더 같은 방향을 향하게 됩니다."라고 폴벤은 말합니다. "이 도메인들은 커질 수도 있고 줄어들 수도 있으며, 결국 서로 합쳐질 수도 있습니다."
전자는 거의 빛의 속도에 가깝습니다.
이런 일이 일어나는 것을 보는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 연구진은 마이크로 자석을 베를린에 있는 80m 너비의 도넛 모양 싱크로트론(BESSY II)으로 가져갔습니다. 이곳에서 전자는 거의 빛의 속도에 도달할 때까지 가속됩니다. 이렇게 빠르게 움직이는 전자는 매우 밝은 X선을 방출합니다.
폴벤은 "우리는 이 엑스선을 촬영하여 현미경의 빛으로 사용합니다."라고 말했습니다.
전자는 2나노초 간격으로 뭉쳐서 싱크로트론 주위를 이동하기 때문에, 전자가 방출하는 X선은 정확한 펄스 형태로 들어옵니다.
주사 투과 X선 현미경(STXM)은 이러한 X선을 촬영하여 재료의 자기 구조에 대한 스냅샷을 생성합니다. 연구진은 이 스냅샷들을 연결하여 마이크로 자석이 시간에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 영상을 제작할 수 있습니다.
폴벤과 그의 동료들은 STXM의 도움으로 전류 펄스로 마이크로 자석을 교란시켜 자기장을 생성했고, 도메인 모양이 바뀌고 소용돌이 핵이 중심에서 움직이는 것을 보았습니다.
"아주 작은 자석을 하나 찔러보고 다시 가라앉는 모습을 상상해 보세요."라고 그는 말합니다. 그 후, 그들은 핵이 중앙으로 돌아오는 것을 관찰했는데, 직선이 아닌 구불구불한 경로를 따라가는 것이었습니다.
폴벤은 "그것은 일종의 중앙으로 다시 춤을 추는 것과 같습니다."라고 말했습니다.
한 번 실수하면 끝이다
그 이유는 연구자들이 기판 위에 생성한 에피택시얼 소재를 연구하기 때문인데, 이를 통해 연구자들은 소재의 특성을 조정할 수 있지만 STXM의 X선은 차단합니다.
NTNU NanoLab에서 연구진은 자기적 특성을 보호하기 위해 탄소층 아래에 마이크로 자석을 묻어 기질 문제를 해결했습니다.
그런 다음, 갈륨 이온을 집중시켜 기판을 매우 얇은 막만 남을 때까지 조심스럽고 정밀하게 깎아냈습니다. 이 힘든 과정은 샘플당 8시간이 걸릴 수 있었고, 한 번이라도 실수하면 큰 재앙이 될 수 있었습니다.
"중요한 건, 자기장을 없애더라도 베를린에 도착하기 전까지는 알 수 없다는 겁니다."라고 그는 말한다. "물론 중요한 건 샘플을 두 개 이상 가져오는 겁니다."
기본 물리학부터 미래 장치까지
다행히도 효과가 있었고, 연구팀은 신중하게 준비한 샘플을 사용하여 마이크로 자석의 영역이 시간이 지남에 따라 어떻게 커지고 작아지는지 도표로 나타냈습니다. 또한 어떤 힘이 작용하는지 더 잘 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션도 만들었습니다.
기본 물리학에 대한 지식을 넓히는 것과 더불어, 이러한 길이와 시간 척도에서 자기가 어떻게 작용하는지 이해하는 것은 미래의 장치를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
자기는 이미 데이터 저장에 사용되고 있지만, 연구자들은 현재 이를 더욱 활용할 방법을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 미세 자석의 소용돌이 중심과 도메인의 자기 방향을 이용하여 정보를 0과 1의 형태로 인코딩할 수 있을 것입니다.
연구진은 이제 개별 자기 모멘트의 순 효과가 상쇄되는 반강자성 물질을 사용하여 이 연구를 반복하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 기술은 컴퓨팅 분야에서 유망합니다. 이론적으로 반강자성 물질을 사용하면 적은 에너지로 작동하고 전원이 끊겨도 안정적으로 유지되는 장치를 만들 수 있기 때문입니다. 하지만 생성되는 신호가 훨씬 약하기 때문에 연구하기가 훨씬 어렵습니다.
그러한 어려움에도 불구하고 폴벤은 낙관적입니다. "우리는 샘플을 만들고 X선으로 관찰할 수 있음을 보여줌으로써 첫 번째 단계를 성공적으로 마쳤습니다."라고 그는 말합니다. "다음 단계는 반강자성 물질로부터 충분한 신호를 얻을 수 있을 만큼 충분히 높은 품질의 샘플을 만들 수 있는지 확인하는 것입니다."
게시일: 2021년 5월 10일