적응형 나노구조 및 나노소자 연구센터(CRANN)와 더블린 트리니티 칼리지 물리학과의 연구진은 오늘 다음과 같은 연구 결과를 발표했습니다.자성 물질센터에서 개발한 기술은 지금까지 기록된 것 중 가장 빠른 자기 스위칭 속도를 보여줍니다.
연구팀은 CRANN의 광자학 연구소에서 펨토초 레이저 시스템을 사용하여 물질의 자기 방향을 1조분의 1초 만에 전환하고 다시 전환하는 데 성공했는데, 이는 이전 기록보다 6배 빠르고 개인용 컴퓨터의 클럭 속도보다 100배 빠른 속도입니다.
이번 발견은 이 소재가 차세대 에너지 효율이 뛰어난 초고속 컴퓨터 및 데이터 저장 시스템에 활용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다.
연구진은 망간, 루테늄, 갈륨으로 구성된 MRG라는 합금을 사용하여 전례 없는 스위칭 속도를 달성했습니다. 이 합금은 연구팀이 2014년에 처음으로 합성한 것입니다. 실험에서 연구팀은 MRG 박막에 붉은색 레이저 광선을 순간적으로 조사하여 10억분의 1초도 안 되는 시간에 수 메가와트급의 전력을 전달했습니다.
열 전달로 인해 MRG의 자기 방향이 바뀝니다. 이 첫 번째 변화가 일어나는 데는 상상할 수 없을 정도로 빠른 10분의 1피코초(1피코초 = 1조분의 1초)밖에 걸리지 않습니다. 하지만 더 중요한 것은, 연구팀이 그 후 10조분의 1초 만에 다시 원래 방향으로 되돌릴 수 있다는 사실을 발견했다는 것입니다. 이는 지금까지 관측된 자석 방향 재전환 중 가장 빠른 속도입니다.
그들의 연구 결과는 이번 주 저명한 물리학 저널인 Physical Review Letters에 게재되었습니다.
이번 발견은 컴퓨팅 및 정보 기술의 혁신성을 고려할 때 새로운 가능성을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.자성 물질이 산업 분야에서 자기 물질은 매우 중요한 역할을 합니다. 우리 주변의 많은 전자 기기는 물론 인터넷의 중심에 있는 대규모 데이터 센터에도 자기 물질이 숨겨져 있으며, 이 물질들이 데이터를 읽고 저장합니다. 현재의 정보 폭발은 그 어느 때보다 많은 데이터를 생성하고 더 많은 에너지를 소비합니다. 따라서 데이터를 처리하는 새로운 에너지 효율적인 방법과 이에 맞는 소재를 찾는 것은 전 세계적인 연구 과제입니다.
트리니티 팀의 성공 비결은 자기장 없이 초고속 스위칭을 구현한 데 있었습니다. 기존 자석 스위칭 방식은 또 다른 자석을 사용하는데, 이는 에너지와 시간 측면에서 비용이 발생합니다. MRG는 열 펄스를 이용하여 스위칭을 실현함으로써 물질이 빛과 상호작용하는 고유한 특성을 활용했습니다.
트리니티 대학 연구원인 진 베스바스와 카르스텐 로데가 연구의 한 방향에 대해 논의합니다.
“자성 물질자기공명영상(MRG)은 본질적으로 논리 연산에 사용할 수 있는 메모리를 가지고 있습니다. 지금까지 '논리 0'인 자기 상태에서 '논리 1'인 자기 상태로 전환하는 것은 에너지 소모가 너무 크고 속도가 너무 느렸습니다. 본 연구에서는 MRG를 0.1피코초 만에 한 상태에서 다른 상태로 전환할 수 있고, 더 나아가 10피코초 후에 두 번째 전환이 가능하다는 것을 보여줌으로써 속도 문제를 해결했습니다. 이는 약 100기가헤르츠의 동작 주파수에 해당하며, 이전에 관찰된 어떤 것보다 빠른 속도입니다.
"이번 발견은 우리 MRG가 빛과 스핀을 효과적으로 결합하여 이전에는 불가능했던 시간 내에 빛으로 자기를, 자기로 빛을 제어할 수 있는 특별한 능력을 가지고 있음을 보여줍니다."
트리니티 물리학과 및 CRANN의 마이클 코이 교수는 자신의 연구팀의 성과에 대해 “2014년 저희 연구팀이 망간, 루테늄, 갈륨으로 이루어진 완전히 새로운 합금인 MRG를 개발했다고 처음 발표했을 당시에는 이 물질이 이처럼 놀라운 자기광학적 잠재력을 가지고 있을 거라고는 전혀 예상하지 못했습니다.”라고 말했습니다.
"이번 시연을 통해 빛과 자성을 기반으로 하는 새로운 소자 개념을 개발할 수 있을 것이며, 이를 통해 속도와 에너지 효율을 크게 향상시키고, 궁극적으로 메모리와 논리 기능을 결합한 단일 범용 소자를 구현할 수 있을 것입니다. 이는 엄청난 도전 과제이지만, 우리는 이를 가능하게 할 수 있는 소재를 선보였습니다. 연구를 지속하기 위해 자금 지원과 산업계와의 협력을 확보하고자 합니다."
게시 시간: 2021년 5월 5일