와우댕글의 아이디어 세상

- 양자 위상을 이용한 자화 제어 / 전류와 스핀 궤도 상호작용에서 자화 제어 메커니즘의 포괄적 이해에 도전 / 자화 제어 프로세스가 양자 역학적 위상에 기인하고 있는 것을 실증 / 양자 위상에 주목한 재료 탐색이나 새로운 스핀 메모리 응용에 기대 - 

JST 과제 달성형 기초 연구의 일환으로서 캠브리지 대학(University of Cambridge) 연구팀은 고체 내에 전류를 흘리는 것으로 전자 스핀을 제어할 수 있는 `스핀 궤도 상호작용(주 1)`으로 새로운 자화 제어 메커니즘을 발견하였다. 

전자 디바이스의 저소비 전력화와 소형화를 위해서 전자 스핀을 전류 등으로 제어하여 자석(자화)의 방향을 바꾸는 새로운 메커니즘의 연구가 전 세계에서 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서 스핀 궤도 상호작용을 사용한 자화 제어의 메커니즘이 5년 전에 발견되었지만 어떠한 프로세스로 발현하고 있는지 자세한 것은 해명되고 있지 않았다. 

이번에 국제적 공동 연구팀은 희박 자성 반도체 갈륨 망간 비소(주 2)(GaMnAs)에 착안하여 상세 실험을 실시한 결과 스핀 궤도 상호작용을 사용한 자화 제어 메커니즘에 지금까지 별로 중요시되어 오지 않았던 전계에 의한 파동 관수의 변화, 구체적으로는 양자 역학적 위상에 근거하는 효과가 존재하는 것을 처음으로 찾아내었다. 이것에 의해 양자 역학적 위상이 스핀 메모리 등을 지원하는 자화 제어에 이용 가능하다는 것이 실증되었다. 

이러한 새로운 자화 제어 메커니즘은 다른 재료계에도 응용될 수 있다고 기대된다. 지금까지 별로 주목받지 않았던 양자 위상에 주목한 재료 탐색 그리고 재료 물성 평가라는 방향성이 제시할 수 있다. 양자 역학적 위상을 이용하여 저 전력으로 자화를 제어할 수 있는 재료가 발견되면 일렉트로닉스에 혁신을 가져오는 스핀 메모리 등에서의 응용을 기대할 수 있다. 

전자는 미소한 자석으로서 작동하는 것으로 이전부터 알려져 있다. 20세기를 석권한 반도체 공학은 기본적으로 이러한 전자 스핀인 자석의 특성을 활용하지 않고 구축되어 지금의 정보화 사회를 이루고 있다. 그러나 이러한 발전에도 한계가 보여 20세기 말부터 혁신적인 전자 정보 디바이스를 제작하기 위하여 전자 스핀을 적극적으로 도입하는 움직임(스핀트로닉스)이 활발하게 되어 현재 스핀이 관련된 다양한 고체 물리 현상이 발견되었고 그 응용 기술 구축이 활발하게 연구되고 있다. 

스핀트로닉스 디바이스를 실현하기 위해서는 여러 가지 해결해야 할 문제점이 있다. 특히 전자 스핀을 정확하게 제어하는 기술을 확립할 필요가 있다. 전자 스핀은 자기적인 물리량이기 때문에 제어를 하기 위해서는 자장이 필요하다. 그러나 디바이스 응용을 고려하면 외부 자장을 이용하여 전자 스핀을 제어하는 것은 어렵고 현재 전류(또는 전압)를 보내는 것으로 유효 자장을 만들어 자화를 제어하는 다양한 방법이 연구되고 있다. 

이러한 점을 해결하기 위한 한 가지 후보로서 전자 스핀과 전자의 운동과의 사이의 상호작용(스핀 궤도 상호작용)에 기인한 기구가 최근 발견되었다. 이것은 고체에(결정 또는 구조) 공간 반전 대칭성의 파괴(주 3)가 존재했을 때 전류를 보내는 것만으로 스핀 궤도 상호작용에 의해 전도전자에 스핀이 생성되어(<그림 1>) 그것을 유효 자장으로서 사용하여 자화 방향을 제어하는 것이다. 스핀 궤도 상호작용은 결정 구조나 시료 구조에 매우 민감하고 현대의 재료 제작 기술이나 나노테크놀로지를 구사할 수 있는 절호의 무대를 제공하기 때문에 자화 제어 방법으로 큰 가능성을 가지고 있다고 할 수 있다. 

그러나 2009년에 발견된 이 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어 현상은 여전히 해명되지 않는 부분이 많이 존재하고 있다. 지금까지 전류에 의해 스핀을 만들 수 있는 것은 사실로서 알려져 있었지만 상세한 프로세스를 명확하게 한 보고는 없었다. 따라서 얻을 수 있던 실험 결과를 현상론을 사용한 모델에 의지하여 이해하지 않을 수 없어 상세한 데이터 해석이나 재료 설계의 지침을 가능하게 하기 위해서는 보다 구체적인 전자 상태 레벨의 정보를 포함한 기구 해명이 급선무였다고 한다. 

이번 연구에서는 스핀 궤도 상호작용이 고체에서 생성된 유효 자장을 정밀하게 측정할 수 있는 실험 방법과 고체의 전자 상태로부터 그 유효 자장을 계산하는 이론을 조합함으로써 그 발현 기구의 상세하게 실시하였다. 사용한 재료는 희박 자성 반도체 갈륨 망간 비소(GaMnAs)로 본 재료를 선택한 주된 이유는 금속 등에 비교하여 전기 전도에 기여하는 전자 상태가 비교적 단순하여 이론 계산으로 취급하기 쉽고 그 결정 구조 자체가 반전 대칭성을 무시할 수 있기 때문에 계면 등을 필요로 하지 않는 벌크 효과로서 실험 결과가 취급하기 쉬워 결정 방위 의존성 등의 실험의 자유도가 있기 때문이다. 이러한 점들을 최대한 이용하여 유효 자장의 결정 방위 의존성의 대칭성을 사용하는 것으로 결정 구조에만 의존하는 성분을 논의하는 것이 가능하게 되어 매우 깨끗한 실험 상황을 구비할 수 있다. 따라서 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어의 발현 기구 해명을 달성하기 위해서 최적인 재료로 간주할 수 있다. 

본 연구에서는 GaMnAs를 자성을 나타내는 저온까지 냉각시켜 GaMnAs 시료에 마이크로파 전류를 흘리는 것으로 자기 공명(주 4) 상태를 생성한다. 자기 공명 상태가 일어나면 GaMnAs 시료 내에 전압이 발생하는 것(<그림 2>)이 알려져 있고 이 전압의 결정 방위 의존성을 중심으로 조사하는 것으로 상술의 유효 자장의 크기와 방향을 분류할 수 있다. 연구 그룹은 GaMnAs 내에서 발생하는 유효 자장의 이론 계산을 실시하였다. 실험 데이터와 수치 계산 결과를 비교한 결과 실험으로 얻을 수 있던 GaMnAs 내에서 발생하는 유효 자장에 지금까지 주목되고 있지 않았던 내인성(內因性) 발현 기구로부터 발생되는 성분이 있는 것을 발견하였다. 이 기구는 고체를 전자가 운동할 때 반드시 일어나는 불순물 등에 의한 전자 산란에 의한(외인성 발현) 기구와는 달리 각각의 `산란`에 일어나는 전자 스핀 상태의 변화에 기인하는 것이다(<그림 3> (상)). 이번 실험에서는 이러한 스핀 상태는 시료막에 대해 면직 방향(z방향)으로 발생하도록 측정 환경을 설계하였다. 

전류 유기(誘起) 자화 제어에 대해 이러한 내인성 모델이 실증된 것은 처음으로 학술적으로도 매우 중요하다. 또한 이러한 내인성 모델은 스핀 궤도 상호작용에 의해 전자의 파수 공간 안에서 발생하는 스핀 구조에 기인하는 양자 역학적 위상(베리(Berry) 위상(주 5))으로 이해할 수 있다. GaMnAs 중의 베리 위상의 존재는 이상(異常) 홀 효과의 연구로부터도 알려져 있었지만 베리 위상이 전기 전도뿐만 아니라 자화 제어에도 크게 기여하는 것은 이번 처음으로 밝혀내었다. 21세기 초부터 고체 중의 실공간이나 파수 공간의 스핀 구조로부터 발현하는 베리 위상이 주목받기 시작하고 있어 본 연구 결과도 그 일례로서 취급할 수 있다. 

이번에 얻을 수 있던 결과에 의해 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어 메커니즘의 미시적 이해가 달성되었다. 이러한 이해가 GaMnAs 이외의 재료계에도 적응 가능한지를 검증하는 것이 다음 과제라고 한다. 또한 검증과 동시에 고성능 차세대 스핀 메모리를 실현하기 위한 재료 발견이 큰 과제이다. 재료 탐색 연구에 있어서 이번 얻을 수 있던 결과는 매우 큰 도움이 될 것으로 기대할 수 있다. 향후 본 기구를 극대한화한 꿈의 재료가 발견되면 컴퓨터 내에서 사용되는 에너지양을 경감하는 스핀 메모리가 탄생할 가능성이 있다고 한다. 

(주 1) 스핀 궤도 상호작용 
전자가 내재적으로 가지고 있는 스핀 각운동량과 궤도 각운동량과의 상호작용으로 이러한 상호작용에 의해 고체 중의 전자 수송이 스핀 상태에 의존하여 거기로부터 스핀 자유도를 이용한 다양한 현상이 일어난다. 
(주 2) 갈륨 망간 비소(Ga1-xMnxAs) 
기존 일렉트로닉스 재료인 III-V족 화합물 반도체 GaAs(갈륨비소)를 모체로 하여 Ga 원자를 자성 원자의 Mn 원자로 치환하는 것으로 자석의 특성을 유기시킨 재료. 
(주 3) 공간 반전 대칭성의 파괴 
좌표(x, y, z)에 있는 점을 좌표(-x, -y, -z)로 옮기는 조작을 실시했을 때 조작 전의 결정과 일치하지 않는 것. 
(주 4) 자기 공명 
외부 정자장(靜磁場)에 있는 자기모멘트가 고유 주파수의 전자파와 상호작용하는 공명 현상. 
(주 5) 베리 위상 
파라미터 공간 상 물리량의 기하학적 구조로부터 발생하는 양자 역학적 위상. 

<그림 1> 스핀 궤도 상호작용에 의한 전자 스핀 생성(공간 반전 대칭성의 파괴가 있는 재료에 전류를 흘리면 스핀 궤도 상호작용에 의해 원래 갖추어져 있지 않았던 전도 캐리어(전자나 홀)의 스핀이 정렬되기 시작한다. 이러한 현상은 원래 전자의 스핀이 어느 정도 정렬되어 있는 자석에도 발생하고 이 전류에 의해 생성된 전자 스핀을 사용하여 자석(자화)의 방향을 제어할 수 있다. 
<그림 2> 자기 공명이 발생하는 GaMnAs의 전압 측정(기가 헤르츠(GHz)대의 교류 전류를 GaMnAs에 직접 흘리면 스핀 궤도 상호작용에 의해 같은 주파수대의 유효 자장이 발생한다. 이 때 특정의 직류 자장을 주면 자기 공명이라는 자화의 세차운동이 발생한다. 이러한 세차운동과 자기 저항 효과에 의해 저항도 시간의 함수로서 진동하게 되어 전류와의 적(積)에 의해 직류 전압이 발생한다.) 
<그림 3> (상) 파수(波數) 공간에 있어서의 페르미 준위의 전자 스핀 방향과 그 전계 의존성 / (하) 스핀 궤도 상호작용이 발생하는 유효 자장의 시료 방향과 각도 의존성 

출처 KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

자기력의 원인이 되는 전자스핀을 전류로서 조절한다니 놀라운 발견이네요. 다양한 응용기술이 나올 수 있을 것으로 기대됩니다.

소개글

자료 몇 개만 참고로 하여 직접 작성하였습니다.제가 일반물리학실험에서 쓴 결과보고서로 조교님들이 특이하다고 인정받았습니다.물론 실험보고서는 A+받았습니다.

목차

1.결과
2. 결론 및 토의

3. 참고자료

본문내용

큰 원통형의 코일에 흐르는 전류 I를 변화시켜 안에 있는 막대 코일에 생기는 유도 전압을 측정하는 실험이었다. 여기서 유도전압은 원리에 따라 기본적으로 전류 I의 시간 변화율에 비례한다. 이를 주파수를 통해서 조절하는 것이다. 따라서 실험 3개는 
1.유도코일의 주파수를 증가시키면서 면적 ,감은 횟수를 고정시키고 실험
2.유도코일의 주파수를 고정시키고 면적 증가, 감은 횟수를 고정시키고 실험
3.유도코일의 주파수를 고정시키고 면적 고정, 감은 횟수를 증가시키고 실험
으로 하여 직사각형 유도코일에 생긴 유도전압을 컴퓨터로 측정하는 것이다.
실험의 결과, 자기장(주파수)이 커질수록 ,도선 면적이 커질수록 ,도선의 감은 횟수가 커질수록 유도되는 전압 U(mV)의 값이 증가함을 확인해볼 수 있었다. 따라서 결과에서처럼 그래프를 그렸을 때 비례함을 볼 수 있었다. 이를 원리와 이론에 비교해보았을 때 거의 일치함을 볼 수 있었다.
오차는 거의 없었지만 오차의 요인이 될 만한 것을 살펴볼 수 있을 것이다.
우선 큰 원통에서 전류의 변화로 생기는 자기장에서 다른 조의 자기장에도 영향을 받을 수 있을 것이다. 그러나 이런 영향은 매우 작기 때문에 결과값에 큰 영향을 주지 않는다고 생각한다.
또 영향을 주는 요인이 있다면 원통형 코일 내부에 있는 직사각형 코일의 위치이다. 원통형의 코일이 이상적으로 길지 않기 때문에 내부에 생기는 자기장이 어느 위치나 완전히 같지는 않을 것이다. 놓는 위치에 따라 어느 정도 달라질 수 있다. 실제로 놓는 위치를 약간 다르게 해놓고 실험해봤을 때 값이 다름을 확인 해볼 수 있었다. 그러나 실험할 때 대부분 놓는 위치가 크게 다른 위치는 아니었으므로 큰 영향을 주지 않은 것이다.

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소개글

자료 몇 개만 참고로 하여 직접 작성하였습니다.제가 일반물리학실험에서 쓴 결과보고서로 조교님들이 특이하다고 인정받았습니다.물론 실험보고서는 A+받았습니다.

목차

1. 결과
2. 결론 및 토의

본문내용

*결과 참고
위 실험 모두 F=I*S*B*sin??로 계산하였다. 실험(1),(2)는 자기장과 전류가 흐르는 도체사이의 각이 90?이므로
F=I*S*B로 계산하였다. F는 뉴턴미터에 나온 값으로 측정한 값이다.
자기장 B를 F=I*S*B*sin??에서 B에 관한 식 B=F/S*I*sin??로 계산하였다. F는 mN의 단위 그대로 넣었고 S는 도체의 길이로 cm를 m로 환산하여 계산하였다. 자기장 B는 위 식으로부터 구하여 소수점 셋째자리까지 표현하였다.
(1)전류함수로 측정에서 I=0A일때는 전류가 흐르지 않고 자석에 힘을 받지 않는다고 판단하여 F=0으로 하였다.


2. 결론 및 토의
결론
실험의 목적대로 전류의 세기 함수에 의한 자기장 내의 도체가 받는 힘 , 도체 길이 함수에 의한 자기장 내의 도체가 받는 힘의 측정 , 자기장과 전류가 흐르는 방향 사이의 각 함수에 의한 자기장 내의 도체가 받는 힘을 측정해보고 자기장을 구해보았다. 전류가 증가할 때는 힘이 비례하여 증가하였고 도체 길이가 줄어들면 받는 힘도 줄어들었다. 각에 따라서 힘은 90도, 270도일 때 힘이 최대가 되고 0도,180도,360도에서는 거의 0에 가까움을 볼 수 있었다. 이를 종합하면 거의 사인함수의 그래프의 개형을 그리는 힘의 크기를 확인 할 수 있었다.

참고 자료 ( 파일내에 기재된 참고자료 목록입니다. )

일반물리학실험

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소개글

전기장과 자기장을 걸어주었을 때 전자빔의 이동경로를 확인하는 실험을 하였습니다. 이를 통해 휘는 정도를 측정하였고 분석하였습니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론

3. 실험 결과
1) 전기장만을 걸었을 때 전자 빔의 이동
2) 자기장을 걸었을 때 전자 빔의 이동

3. 분석

4. 결론

5. 참고문헌

본문내용

1. 실험 목적
원자와 핵의 특성에 대해서 확인할 수 있는 튜브를 사용하여 원자의 핵의 여러 특성과 현상을 보인다.

2. 실험 이론
전기 편향 튜브
균일한 전기장 내에서의 대전된 입자의 운동
전하량이 q이고 질량이 m인 입자가 전기장 내에 놓여 있을 경우, 이 전하에 작용하는 전기력은 를 이용하여 구할 수 있다. 만약 이 힘이 전하에 작용하는 유일한 힘이라면 이 힘은 알짜힘이다. 알짜힘이 작용하는 입자는 알짜힘으로 인해 가속된다. 이 경우 가속도 a는 뉴턴의 운동 제 2법칙에 의해 다음과 같이 결정된다.
이다. 만약 가 균일하다면(즉, 크기와 방향이 일정하다면) 가속도도 일정하다. 입자가 양전하를 갖고 있다면 이 입자는 전기장의 방향을 따라 가속되며, 입자가 음전하를 갖고 있다면 이 입자는 전기장 방향의 반대 방향으로 가속된다.
서로 다른 부호로 대전된 금속판 사이의 전기장은 대체로 균일하다.
이제 전하량이 –e인 전자가 초속도 를 지닌 상태로 두 금속판 사이로 들어온 경우를 가정하자. 전기장 는 +y방향이기 때문에 전자의 가속은 –y방향이 된다. 즉,

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소개글

톰슨이 사용한 비전하 측정기기를 통해 전자의 비전하를 측정하는 실험 보고서입니다. 결과와 분석은 직접 작성하였습니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론

3. 실험 과정

4. 실험 결과

5. 분석

6. 결론

7. 참고문헌

본문내용

가속퍼텐셜 V와 헬름흘츠 코일의 전류 I, 전자빔의 원형 경로 반지름(r)을 측정함으로써 비전하를 구할 수 있다.


※ 이론적 배경

1899년 영국의 물리학자 톰슨(Thomson)경이 라더퍼드(Rutherford)와 공동으로 그때까지 실체를 규명하지 못하고 있던 음극선의 비전하를 측정하여 전자의 존재를 예상하였고, 이미 알려져 있던 광전효과와 에디슨 효과(열전자 현상)등을 바탕으로 하여 전자의 존재를 결정적으로 증명하였다.
질량을 가진 입자 중 전자가 제일 가볍다. 실제로 전자의 질량을 직접적으로 측정하는 것은 불가능 하기 때문에 전하와 연관시켜 비전하를 측정하게 되는 것이다. 비전하는 지금 현재 알려진 값으로 이며 기본 상수의 하나로 취급된다. 전자가 가지고 있는 전하량은 밀리컨 기름방울실험 같이 기본전하량을 측정하여 간접적으로 구하기도 하고, 전기장 또는 자기장에서 전자살의 진동을 이용하기도 한다.
그림 1에서 보는 것처럼 필라멘트의 가열로 음극(cathod : K로 표기)에서 발생된 열전자가 양극(plate:P)에 걸려있는 V volt의 전압에 의해 가속되고, 구멍을 빠져 나가는 순간부터는 등속 운동을 하게 된다. 이때의 전자 속력 v는 다음과 같이 구할 수 있다. 
전자가 직류전원 V에 의해 얻는 에너지는 eV 이고 이것이 전자의 운동에너지 와 같으므로

참고 자료 ( 파일내에 기재된 참고자료 목록입니다. )

PASCO e/m Apparatus 실험 매뉴얼
대학물리학,청문각,serway,제6판,2008
wikipedia “Helmholtz coil”
http://physica.gnu.ac.kr/physedu/modexp/e_m/main.htm

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