^*이 보도자료는 미래창조과학부에서도 배포됐음을 알려드립니다. 

^*전자의 자기적인 방향을 뜻하는 스핀과 전자공학을 응용하는 새로운 개념의 정보기술

^**카오스(chaos)는 그리스의 우주 개벽설에서, 우주가 발생하기 이전의 원시적인 상태. '혼돈'을 의미하는 말로서, 초기 조건이나 원리를 알고 있으면서도 장래를 예측할 수 없는 불안정한 현상. 목성 표면의 소용돌이인 대적점이나 건강한 사람의 맥파, 나뭇잎의 낙하 운동 등도 카오스 현상의 일종

^*제1저자 및 공동교신저자, 현 대구경북과학기술원 신물질과학전공 겸임교수

(논문명: Stochastic formation of magnetic vortex structures in asymmetric disks triggered by chaotic dynamics)

^*스핀 방향의 배열상태가 태풍과 같이 회전하는 형상을 하고 있으며 그 중심에는 태풍의 눈과 같은 핵이 존재함. 회전하는 형상이 시계방향 반시계방향 두 가지가 존재 할 수 있고 핵은 업과 다운의 두 가지 방향을 가지고 있어 회전하는 형상 또는 핵의 방향에 정보를 저장할 수 있는 매우 안정한 정보 저장 스핀구조로 여겨짐

^**스핀소용돌이와 비슷한 스핀구조를 가지나 회전하는 형상이 없거나 아주 작으며 핵만 존재하는 아주 작은 크기의 스핀구조로 최근 정보 저장 처리 매체로 큰 주목

^*막대자석주위에 형성되는 자기장처럼 스핀 주변에 형성된 자기장이 다른 스핀에 영향을 주는 상호작용

[붙임] 연구결과 개요

기대효과

떨어지는 나뭇잎, 진자의 운동, 심장의 박동, 목성 소용돌이인 대적점의 운동, 주식시장의 주가에 이르기 혼돈(카오스) 현상은 운동을 지배하는 근본적인 법칙으로 알려져 있으며 본 연구는 이러한 혼돈 현상이 나노 자성체의 스핀방향의 형성에서도 확연히 들어날 수 있음을 보여준 최초의 연구라는 점에서 의의가 있다.

또한, 본 연구는 자성 현상 내에서 관찰되는 무질서도의 원인에 대한 새로운 관점(동적 과정 내 혼돈 현상)을 제시하였다는 의미에서도 그 중요성을 지닌다. - 혼돈 현상이 어떻게 작용하며 어떠한 조건에서 발현되고 발현되지 않는지를 밝혀낸다면 엄밀한 스핀소용돌이 스핀 방향의 제어가 가능할 것으로 기대된다.

연구배경

스핀트로닉스에서는 나노 크기 자성체 배열속에 형성된 스핀의 방향으로 정보를 저장하게 되어 스핀의 방향을 제어하는것이 무엇보다 중요하다.

특정 크기의 원형 형태를 가지는 나노 자성체 안에서 형성되는 스핀 소용돌이 구조는 스핀방향을 통해 정보를 저장할 수 있고 또한 스커미온을 원하는 배열로 형성하는데 이용할 수 있어 스핀트로닉스 분야에서 많이 연구되어 온 대상이었으나 나노 자성체 배열 안에서 스핀 소용돌이 구조의 형성 과정이나 통계적 거동, 이의 물리적 근원이 잘 알려져 있지 않았다.

이에 본 연구는 그 과정의 숨은 물리적 원인을 이론과 시뮬레이션(전산모사) 및 방사광 가속기 실험을 통하여 엄밀하게 밝혀내었다.

연구내용

기존에 알려진 원형 자성체의 구조를 변형하는 방법을 이용하면 하나의 나노 자성체에 형성되는 스핀 소용돌이의 회전 방향을 완벽히 제어할 수 있을 것으로 여겨져 왔다.

본 연구에서는 형상을 변형하여 비대칭성 구조를 지니는 나노 자성체를 서로 다른 간격을 가지는 배열로 만들고 이를 미국 로렌스버클리 국립 연구소 방사광가속기 현미경(빔라인 6.1.2)을 이용하여 스핀 소용돌이 형성 과정에 대한 실험을 수십 차례 반복하여 소용돌이 형성의 제어도/무질서도를 연구하였다. 통계적 실험을 통해, 기존의 예상과는 달리 비대칭적인 구조를 지니는 자성체 내에서도 소용돌이 형성과정이 어느 정도의 무질서도를 나타냄을 발견하였다. - 놀라운 결과는 자성체들 간격에 따라서 소용돌이 형성 과정에서 관찰되는 무질서도가 심하게 변하는 것을 발견하였다. 또한, 주도적으로 형성되는 스핀 소용돌이 방향도 바뀌는 것으로 관찰되었다.

본 연구의 실험 결과는 스핀 소용돌이는 일반적으로 서로간의 정자기 상호작용이 매우 작은 것으로 알려져 있어 나노자성체간에 형성된 스핀 소용돌이들끼리는 서로 영향이 없을 것으로 여겨졌던 것을 완전히 뒤바꾼 결과이며 기존 자성 현상 내 발견되는 무질서도의 원인으로 고려되던 열적 요동으로는 해석할 수 없는 놀라운 현상이다. - 전산모사 계산을 통하여 나노 자성체 배열에서 스핀 소용돌이가 형성될 때는 복잡한 동적 과정을 거치는 것을 확인하였으며 이 과정에서 지금까지 알려진 바와 다르게 배열간의 정자기 상호 작용이 매우 큰 역할을 하기 때문에 배열의 간격에 따라 스핀방향이 다르게 결정될 수 도 있음을 밝혀내었다.

또한 특정한 나노 자성체 배열 간격에서는 기존에 알려지지 않았던 근원적 물리 현상이 숨어 있었음을 처음으로 밝혀내었다. 즉 동적 과정 속에 나비효과로 잘 알려진 혼돈(카오스, chaos) 현상이 지배적인 상황이 되어 스핀 방향이 무질서 하게 예측불가능한 상황이 된다는 사실이다. 결국, 동적 과정 내 관찰된 혼돈 형상이 소용돌이 형성 과정에서 발견된 무질서도에 지대한 영향을 미침을 규명하였다.

[붙임] 연구결과 문답

Q. 이번 성과 뭐가 다른가

A. 기존의 연구는 단일 나노 자성체에서 스핀소용돌이 회전 방향의 제어에 관한 것이었다면 이번 성과는 자성체 배열에서는 스핀 소용돌이 형성의 통계적 거동이 어떠하고 배열의 간격에 따라서 어떻게 바뀌는지를 밝혀 내었다. 특히, 기존의 스핀 소용돌이 형성에 대한 연구결과에서 한번도 알려지지 않았던 혼돈(카오스) 현상을 처음으로 규명하였다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나

A. 스핀소용돌이를 이용한 스핀트로닉스 정보 저장 소자에 응용가능하며 스커미온 결정을 형성하고 제어하는데도 이용 가능하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은

A. 기본적인 제어를 규명하는 데는 몇 년이 걸리지 않지만 실용화까지는 장기간의 연구가 필요하다. 

Q. 실용화를 위한 과제는

A. 정보저장 소자로까지 실용화 되기 위해서는 판독, 기록 방법등이 개발되어야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는

A. 나노 자성체에서 보이는 통계적 거동에 대한 연구를 진행하여 오다가 스핀 소용돌이 구조는 일반적인 통계적 거동에서 벗어나는 양상을 발견하였으며 이를 알아보기 위해 여러 가지 전산모사 계산을 하던 중 더 근본적인 현상인 혼돈(카오스) 현상을 발견하게 되었다. 

Q. 신진연구자를 위한 한 마디

A. 기초학문에서 조차도 응용성이 강조되는 이때에도 자연의 근원을 찾고자 하는 사명을 가진 신진 연구자에도 많은 관심과 지원이 있기를 바랍니다.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)

네이처출판그룹(NPG, Nature Publishing Group)이 2010년도부터 발행하는 생물, 물리, 화학, 지구과학 등 자연과학의 융합분야 국제학술지 (2013년 기준 영향력지수 10.742 / 분야 IF 상위 백분율 5.5 %)

2. 미국 로렌스 버클리 국립연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory)

미국 국립연구소중 하나로 캘리포니아의 UC Berkeley 인근 200 에이커의 부지에 위치하고 있다. 1939년 입자가속기로 노벨상을 수상한 물리학자 어니스트 올란도 로렌스가 1931년 방사선 연구소를 세우면서 설립 되었으며 1950년대에 리버모어에 분소를 개설하였다. 현재 4300여명의 과학자 및 연구자, 엔지니어가 근무하고 있다. 2011년 한해 연구비는 8억달러, 지금까지 13명의 노벨상 수상자를 배출하였으며, 13명의 미국 국가과학자등이 배출된 미국 최고의 국립연구소 중 하나이다.

3. 방사광 가속기 현미경

방사광 가속기는 입자 가속기의 한 형태로 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 강력한 자기장을 통과하면서 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 이용하여 물질의 전자 구조나 단백질과 같은 작은 물질의 구조 해석 또는 스핀의 구조를 관측하는데 사용된다. 본 연구에서 사용한 방사광 가속기는 미국 로렌스 버클리 국립연구소 산하 어드밴스드 라이트 소소(Advanced Light Source) 방사광 가속기로 포항가속기와 같은 3세대 방사광 가속기이다. 본 연구에서는 방사광 가속기에 속해 있는 여러 빔라인 중 약 십 나노미터의 분해능을 가지고 스핀 구조 관찰이 가능한 방사광 가속기 현미경(빔라인 6.1.2)을 이용하였다.

[붙임] 그림설명