NTNU의 연구진은 매우 밝은 X선을 이용해 동영상을 제작함으로써 미세한 규모의 자기 물질에 대한 이해를 넓히고 있습니다.
NTNU 전자 시스템학과 산화물 전자 그룹 공동 책임자인 에릭 폴벤 교수와 NTNU 및 벨기에 겐트 대학교 연구진은 박막 마이크로자석이 외부 자기장의 영향을 받을 때 어떻게 변화하는지 알아보기 위한 연구를 진행했습니다. NTNU 나노와 노르웨이 연구위원회의 부분적인 지원을 받은 이 연구는 학술지 Physical Review Research에 게재되었습니다.
초소형 자석
에이나르 스탄달 디게르네스는 실험에 사용된 아주 작은 정사각형 자석을 발명했습니다.
NTNU 박사 과정생인 에이나르 스탄달 디게르네스가 제작한 이 초소형 정사각형 자석은 너비가 불과 2마이크로미터이며, 각각 시계 방향 또는 반시계 방향으로 향하는 서로 다른 자기 방향을 가진 네 개의 삼각형 영역으로 나뉘어 있습니다.
특정 자성 물질에서는 더 작은 원자들이 모여 도메인이라고 불리는 영역을 형성하는데, 이 도메인 내의 모든 전자들은 동일한 자기적 방향을 갖습니다.
NTNU 자석에서 이러한 자기 영역들은 중심점, 즉 와류핵에서 만나는데, 이곳에서 자기 모멘트는 재료의 평면 안쪽 또는 바깥쪽을 직접 향합니다.
폴벤은 "자기장을 가하면 이러한 자기 영역들이 점점 더 같은 방향을 향하게 됩니다."라고 말합니다. "자기 영역들은 커질 수도 있고, 작아질 수도 있으며, 서로 합쳐질 수도 있습니다."
전자들은 거의 빛의 속도로 움직인다
이러한 현상을 관찰하는 것은 쉽지 않았습니다. 연구진은 베를린에 있는 BESSY II라는 80m 너비의 도넛 모양 싱크로트론으로 미세 자석을 가져갔습니다. 이곳에서 전자는 거의 빛의 속도로 가속됩니다. 이렇게 빠르게 움직이는 전자들은 매우 밝은 X선을 방출합니다.
"우리는 이 엑스레이를 현미경의 광원으로 사용합니다."라고 폴벤은 말합니다.
전자들은 2나노초 간격으로 뭉쳐서 싱크로트론을 이동하기 때문에, 전자들이 방출하는 X선은 정확한 펄스 형태로 나타납니다.
주사투과형 X선 현미경(STXM)은 X선을 이용하여 물질의 자기 구조를 순간적으로 포착합니다. 연구진은 이러한 순간들을 이어 붙여 미세 자석이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 보여주는 영상을 만들 수 있습니다.
폴벤과 그의 동료들은 STXM의 도움으로 전류 펄스를 가해 자기장을 발생시켜 미세 자석을 교란시켰고, 그 결과 자기 영역의 모양이 변하고 소용돌이 핵이 중심에서 바깥쪽으로 이동하는 것을 관찰했습니다.
"아주 작은 자석이 있는데, 그걸 찔러서 다시 제자리로 돌아오는 모습을 사진으로 찍어보는 겁니다."라고 그는 말했다. 그 후, 그들은 핵이 직선이 아닌 구불구불한 경로를 따라 중심으로 돌아오는 것을 관찰했다.
폴벤은 "그것은 마치 춤을 추듯 다시 중심점으로 돌아올 것입니다."라고 말합니다.
한 번의 실수로 모든 게 끝장나는 거야
그 이유는 연구자들이 기판 위에 형성되는 에피택셜 소재를 연구하기 때문입니다. 에피택셜 소재는 연구자들이 소재의 특성을 조절할 수 있게 해주지만, STXM에서는 X선을 차단합니다.
NTNU 나노랩에서 연구를 진행한 연구진은 마이크로 자석의 자기적 특성을 보호하기 위해 탄소층 아래에 마이크로 자석을 묻어 기판 문제를 해결했습니다.
그런 다음 연구팀은 집중된 갈륨 이온 빔을 사용하여 아래쪽 기판을 조심스럽고 정밀하게 제거하여 아주 얇은 층만 남도록 했습니다. 이 고된 과정은 샘플 하나당 8시간이 걸릴 수 있으며, 한 번의 실수라도 발생하면 큰 낭패를 볼 수 있습니다.
"중요한 건, 자성을 없애버리면 베를린에 도착하기 전까지는 그걸 알 수 없다는 겁니다."라고 그는 말한다. "요령은 당연히 샘플을 하나 이상 가져가는 거죠."
기초 물리학부터 미래의 기기까지
다행히도 실험은 성공했고, 연구팀은 세심하게 준비한 샘플을 사용하여 마이크로 자석의 자기 영역이 시간이 지남에 따라 어떻게 성장하고 수축하는지 관찰했습니다. 또한 작용하는 힘을 더 잘 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션도 제작했습니다.
기초 물리학에 대한 지식을 발전시키는 것 외에도, 이러한 길이 및 시간 규모에서 자기가 어떻게 작용하는지 이해하는 것은 미래의 장치를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
자기장은 이미 데이터 저장에 사용되고 있지만, 연구자들은 현재 이를 더욱 활용할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 미소자석의 소용돌이 핵과 자기 영역의 자기적 방향을 이용하여 0과 1의 형태로 정보를 인코딩할 수 있을 것입니다.
연구진은 이제 개별 자기 모멘트의 순 효과가 상쇄되는 반강자성 물질을 사용하여 이 연구를 반복하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 물질은 컴퓨팅 분야에서 유망한데, 이론적으로 반강자성 물질은 적은 에너지를 소비하고 전원이 차단되어도 안정적으로 작동하는 장치를 만드는 데 사용될 수 있기 때문입니다. 하지만 이러한 물질이 생성하는 신호가 훨씬 약하기 때문에 연구하기는 훨씬 더 어렵습니다.
그러한 어려움에도 불구하고 폴벤은 낙관적입니다. 그는 "샘플을 만들고 X선으로 투과해서 볼 수 있다는 것을 보여줌으로써 첫걸음을 내디뎠습니다."라고 말하며, "다음 단계는 반자성 물질에서 충분한 신호를 얻을 수 있을 만큼 고품질의 샘플을 만들 수 있는지 확인하는 것입니다."라고 덧붙였습니다.
게시 시간: 2021년 5월 10일