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- 뒤틀린 스핀 링의 존재는 1975년에 예측돼
- 물리학자들은 2023년 초에 처음으로 홉피온 고리의 광자 변형체를 만들었다.
- Hopfion 고리는 3차원으로 움직일 수 있고 새로운 스핀트로닉 응용을 가능하게 한다.
- 자기 저장 시스템, 뉴로모픽 컴퓨터뿐만 아니라 양자 컴퓨터의 큐비트에도 유용

물리학자들이 홉피온 고리(Hopfion Ring)를 만들었다.
일반 물질에서 링 모양의 스핀 구조를 최초로 발견

신비한 구조:
물리학자들은 처음으로 결정질 물질에 방향성 전자스핀으로 만들어진 고리 모양의 자기 구조 소위 홉피온 고리(Hopfion ring)를 만들었다. 이러한 뒤틀린 스핀 링의 존재는 1975년에 예측됐다. 이제 연구자들이 처음으로 금속 합금에서 이를 만들어 실험적으로 시연했다. Hopfion 고리는 무엇보다도 흥미롭다. 3차원으로 움직일 수 있고 새로운 스핀트로닉 응용을 가능하게 할 수 있기 때문이다. 

▲ 이 구조는 홉피온 링(Hopfion ring)으로, 정렬되고 뒤틀린 전자 스핀으로 구성된 자기 구조로, 결정질 물질에서 처음으로 감지되었다. © Philipp Rybakov/웁살라 대학교

자기장의 영향으로 일부 금속은 강자성이 된다. 원자의 스핀은 작은 나침반 바늘처럼 모두 같은 방식으로 정렬된다. 그러나 특정 조건에서는 스핀이 더 복잡한 패턴을 형성할 수도 있다. 한 가지 예는 자기 미니 토네이도의 일종인 소용돌이 모양의 스커미온이다. 이러한 자기 구조는 준입자처럼 행동할 수 있으며 양자 컴퓨터의 자기 데이터 저장 또는 큐비트에 대한 가능한 후보로 여겨진다.

Hopfions: 뒤틀린 회전 고리

이제 Jülich 연구 센터의 Fengshan Zheng이 이끄는 팀은 1975년에 가정된 이러한 스커미온의 변형을 일반 재료로 생산하는 데 처음으로 성공했다. 이것은 소위 Hopfion 고리라고 불리며, 고리 모양으로 꼬여 닫히는 skyrmion 실이다. “자기 천공에 대한 집중적인 연구에도 불구하고 이러한 홉피온 고리를 직접 관찰하는 것은 어렵고 합성 물질에서는 단 한 번만 달성되었다”고 팀은 설명했다. 물리학자들은 2023년 초에 처음으로 홉피온 고리의 광자 변형체를 만들었다.

실험을 위해 물리학자들은 철-게르마늄 합금(FeGe)으로 만들어진 180nm(나노미터)의 얇은 디스크를 사용했으며, 이를 영하 70~90도까지 냉각했다. 그런 다음 그들은 디스크에 수직으로 외부 자기장을 적용하고 소위 로렌츠 투과 전자 현미경을 사용하여 어떤 스핀 구조가 생성되었는지 관찰했다.

첫 번째 모서리 변형 후 링

처음에는 디스크 중앙에 필드 라인 방향을 가리키는 세 개의 꼬인 스커미온 스레드만 형성됐다. 그러나 연구팀이 자기장의 극성을 바꾸자 금속 디스크 외부에 자기 난류가 형성되기 시작했다. 다시 반전하고 자기 강도를 증가시킨 후 완전히 새로운 구조가 나타났다. "가장자리 변조가 샘플 중심을 향해 수축되어 세 개의 스커미온 스레드 주위에 호피온 링을 형성했다"고 물리학자들은 보고했다.

팀이 결정질 물질에서 이국적인 홉피온 고리를 탐지하는 데 성공한 것은 이번이 처음이다. Zheng과 그의 동료들은 “우리는 결정 내 홉 이온에 대한 직접적인 관찰 증거를 제시한다”고 말했다. "우리의 결과는 재현성이 뛰어나고 미세 자기 시뮬레이션과 완전히 일치한다.“

▲ 외부 자기장의 다중 반전에 의해 차가운 ​​철-게르마늄 디스크에 호피온 고리가 형성된다. © Zheng et al./Nature, CC-by 4.0

삼각형, 오각형 및 고리

추가 실험을 통해 홉피온 고리의 폭과 모양은 주로 자기장의 세기에 따라 결정된다는 사실이 밝혀졌다. Zheng과 그의 동료들은 “자기가 강해짐에 따라 Hopfion 고리는 처음에는 삼각형 모양, 그 다음에는 오각형, 마지막으로 원형 모양을 취한다”고 썼다. 자기장의 세기가 더욱 증가하면 홉피온 고리와 중앙의 스커미온 실 사이의 거리가 감소한다. 물리학자들은 “스커미온 실의 밝은 점은 궁극적으로 홉피온 고리가 붕괴되기 전에 거의 접촉하게 된다”고 말했다. 중앙 스커미온 스레드의 수도 다양할 수 있다.

온도도 중요한 역할을 한다. “180~200켈빈(섭씨 영하 73~93도)의 온도 범위가 우리 생산 프로토콜에 가장 적합한 범위인 것으로 나타났다”고 연구진은 보고했다. 이 범위 아래에서는 링이 형성되기 전에 외부 자기장의 더 많은 반전 주기가 필요하다. 온도가 더 높으면 가장자리 난류가 Hopfion 링으로 수축하는 것을 차단하는 에너지 장벽이 생성된다.

스핀트로닉 응용 분야와 잠재적으로 관련됨

Zheng과 그의 팀에 따르면, 이 발견은 자기 나노구조의 세계에 대한 새로운 통찰력을 열어줄 뿐만 아니라 잠재적으로 실제적인 관련성을 가질 수도 있다고 한다. "이 현상은 새로운 것이지만 잠재적으로 흥미로운 특성 중 상당수는 아직 발견되지 않았다"고 스웨덴 웁살라 대학교의 공동 저자인 Filipp Rybakov는 말했다. "그러나 우리의 결과는 근본적 관점과 응용 관점 모두에서 중요하다.”

스커미온과 마찬가지로 Hopfion 링은 미래의 스핀트로닉 응용 분야의 스펙트럼을 확장할 수 있다. 특히 유일한 2차원 스커미온과 달리 3차원이기 때문이다. 물리학자들은 “우리는 더 두꺼운 샘플의 홉피온 고리가 3차원으로 움직이고 서로 상호작용할 수 있다고 의심한다. 예를 들어 스커미온 실을 따라 움직이는 것이다”라고 썼다.

이는 무엇보다도 자기 저장 시스템, 뉴로모픽 컴퓨터뿐만 아니라 양자 컴퓨터의 큐비트에도 유용할 수 있다. Zheng의 팀은 이제 Hopfion 고리의 특성을 더 조사하고 이 자기 현상이 생성될 수 있는 다른 결정질 물질을 찾고자 한다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06658-5)
출처: Nature, 웁살라대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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