다강성 물질이 스핀트로닉스의 판도를 바꾸다
Viewpoint: Multiferroics Are a Spintronics Game Changer

새로운 실험은 상온 다강성 물질 비스무트 페라이트(BiFeO₃)에서 스핀 전류를 전기적으로 제어할 수 있다는 것을 보여준다.

당신이 이 기사를 읽을 때, 수십억 개의 트랜지스터가 컴퓨터 내부에서 전류를 켜고 끄고, 그 과정에서 열을 발생시키고 있다. 이러한 “발열 문제”는 전자가 이동하면서 발생하는 에너지 흩어지기의 필연적인 결과이며, 실리콘 기반 컴퓨터 기술의 추가적인 발전을 저해할 우려가 있다. 이 문제에 대한 가능한 해결책은 각 전자의 고유한 자기 모멘트(스핀)를 활용하는 새로운 전자 장치를 만드는 것이다. 절연체(금속이나 반도체가 아닌)에서는 전자를 이동시키지 않고 이러한 스핀을 운반할 수 있으며, 전하 전류 대신 스핀 전류를 사용하는 장치에서는 에너지 흩어지기가 크게 감소하여 발열 문제를 피하면서 컴퓨팅 파워를 증가시킬 수 있는 경로를 제공한다. 그러나 전하 전류는 전기장을 사용하여 쉽게 유도될 수 있지만, 스핀 전류에 대해 동등한 제어 방법이 존재하지 않는다. 현재 미국 버클리 캘리포니아 대학의 Eric Parsonnet과 그의 동료들은 스핀 전류를 전기적으로 켜고 끄는 방법을 시연함으로써 스핀 기반 컴퓨터를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠다.

전하 전류 대신 순수한 스핀 전류에 기반한 소자의 개발은 스핀 전자 공학, 즉 스핀트로닉스 분야에서 일하는 과학자와 엔지니어로 구성된 대규모 공동체의 목표이다. 마그노닉스(magnonics)라고 불리는 스핀트로닉스의 하위 분야는 이러한 스핀 전류가 마그논(magnon)에 의해 전달되는 소자에 초점을 맞춘다. 마그노닉스 연구자들은 물질에서 단순히 들뜬 마그논만으로는 스핀 전류의 생성을 보장하기에 충분하지 않다는 문제에 직면해 있다. 마그논이 균일하게 분포되어 있을 때 스핀 전류는 정확히 0과 같다. 마그논은 반드시 제어되어야 하며, 절연 물질(전하 전류가 없기 때문에 가장 적은 양의 에너지를 소모하는 물질)에서 마그논을 제어하는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 이전 실험에서 연구자들은 큰 자기장을 이용하여 이러한 제어를 달성하려고 노력했지만, 큰 자기장은 애초에 마그노닉스를 추구해야 할 이유를 훼손하면서 부수적인 열을 발생시킬 수 있다.

이곳이 희귀한 종류의 자기 전기 다강성 물질이 앞으로 나아갈 길을 제공할 수 있는 곳이다. 다강성 물질에서는 여러 강성상이 동일한 온도에서 공존한다. 이 분류에서 가장 주목할 만한 구성원은 상온에서 자성체와 강유전체인 다강성의 드문 예인 BiFeO3이다. 이러한 상들의 공존은 물질이 외부장의 영향을 받지 않는 경우에도 잔류 자화 M과 전기 분극 P를 갖는다는 것을 의미한다. 이전 연구는 BiFeO₃에서 마그논의 모든 전기적 스위칭을 시연했지만, 이 스위칭을 사용하여 스핀 전류를 제어하는 것은 이론가의 꿈에 불과했다.

Parsonnet과 동료들의 실험은 판도를 바꾸었다. 그들의 결과는 시벡(Seebeck) 효과를 통해 순수한 스핀 전류를 확립하는 방법과 역 스핀 홀(Hall) 효과를 통해 이를 감지하는 방법을 보여준 스핀트로닉스의 거인들의 어깨에 달려 있다. 그들의 실험에서, 시벡 효과는 BiFeO₃ 박막의 한쪽 면이 가열될 때 순수한 스핀 전류를 발생시킨다: 열 마그논은 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 온도 기울기를 따라 흐르는 반면, 스핀 전류는 반대 방향으로 흐른다. 역 스핀 홀 효과는 이 스핀 전류를 감지 가능한 전압으로 전환하여 스핀 전류의 존재와 방향을 나타낸다.

그러나 Parsonnet과 그의 동료들은 전기장 펄스를 이용하여 BiFeO₃ 박막의 강유전 모멘트 P의 방향을 스위칭함으로써 스핀 전류의 단순한 생성과 검출을 넘어선다. P의 이러한 변화는 연관된 자화 M을 P에 수직인 다른 평형 방향으로 이완시킨다. 연구자들은 P와 M의 이러한 연결된 스위칭이 서로 다른 스핀 전류 방향을 가진 두 상태를 연결하여 절연체의 스핀 전류를 제어하는 모든 전기적 방법을 입증한다는 것을 보여준다. 스핀트로닉스 응용 분야에서 결정적으로, 이러한 상태는 전기장이나 자기장이 가해지지 않을 때 안정적이라는 점에서 비휘발성; 즉, 대기 전력이 0이다.

Parsonnet과 그의 동료들은 BiFeO3 박막을 사용하여 자기장 없이도 순수한 스핀 전류의 비휘발성, 전-전기적 스위칭이 가능하다는 것을 증명함으로써 다강성 물질을 스핀트로닉스 게임의 강력한 경쟁자로 만들었다. 향후 연구에서는 이 스위치가 트랜지스터와 동등한 스핀 전류로 변환되는 것을 보아야 하며, 인텔과 같은 회사가 기존의 실리콘 기술에 대한 스핀트로닉스 대안을 진지하게 고려하고 있기 때문에, 우리는 미래에 더 많은 돌파구를 마련할 준비가 되어 있다.

Nonvolatile Electric Field Control of Thermal Magnons in the Absence of an Applied Magnetic Field, Eric Parsonnet, Lucas Caretta, Vikram Nagarajan, Hongrui Zhang, Hossein Taghinejad, Piush Behera, Xiaoxi Huang, Pravin Kavle, Abel Fernandez, Dmitri Nikonov, Hai Li, Ian Young, James Analytis, and Ramamoorthy Ramesh, Phys. Rev. Lett. 129, 087601 (2022), Published August 15, 2022.

중성미자의 사랑을 위하여
Synopsis: For the Love of Neutrinos

CUPID-0 실험은 중성미자가 없는 이중 베타 붕괴를 목표로 하는 새로운 검출기 기술을 입증했다.

새로운 유형의 정밀 열 감지기를 사용한 중성미자 실험인 CUPID-0 연구팀이 최종 결과를 발표했다. 이 연구 결과는 중성미자가 없는 이중 베타 붕괴를 보지 못하는 지속적인 입자 물리학 경향을 지속한다. 이러한 붕괴는 중성미자가 자신의 반입자임을 의미하기 때문에 현재 중성미자 연구의 핵심이다. CUPID-0의 비검출은 동일한 핵붕괴 표적 물질을 사용한 이전 검출기의 제약을 20배 개선한다.

이탈리아 국립핵물리학연구소(INFN) 그랑사소 국립연구소에서 열린 CUPID-0 실험은 셀레늄-82에서 중성미자가 없는 이중 베타 붕괴를 찾고자 하였다. 이 동위 원소는 “정상적인” 이중 베타 붕괴에 의해 붕괴하는 것으로 알려져 있는데, 이 과정에서 원자핵에 있는 두 개의 중성자가 두 개의 양성자로 변하며 두 개의 전자와 두 개의 중성미자를 방출한다. 이 공동 연구는 결정 시료에서 셀레늄-82 붕괴의 스펙트럼을 측정했고 중성미자를 동반하지 않는 붕괴를 알리는 피크를 찾았다. 이러한 측정을 위해 연구자들은 단일 붕괴 사건을 식별할 수 있는 열 센서와 베타 붕괴를 다른 유형의 핵 붕괴와 구별할 수 있는 광 센서를 결합한 최근 개발된 기술인 섬광 볼로미터를 사용했다.

10-kg CUPID-0 실험은 다른 검출기의 약 10분의 1 크기임에도 불구하고 상대적으로 높은 측정 감도를 달성했다. “이 결과는 CUPID-0의 후속 모델인 1톤 크기의 검출기 수준 기술의 CUPID를 위한 문을 열어준다.”고 CUPID-0 연구팀 구성원인 Laura Cardani는 말한다.

Final Result on the Neutrinoless Double Beta Decay of ⁸²Se with CUPID-0, O. Azzolini et al., Phys. Rev. Lett. 129, 111801 (2022), Published September 6, 2022.

스트로보 빛이 원자 배열의 모양을 만든다
Synopsis: Strobing Light Shapes Atomic Array

스트로보 트위스트를 가진 광학 트위저는 차가운 원자를 모든 모양의 격자에 가둘 수 있다.

광학 트위저 배열은 양자 연구 응용에서 원자의 위치를 포착하고 제어하기 위한 주요 도구이다. 역전파 레이저는 간섭을 통해 “광격자”를 생성함으로써 유사한 기능을 수행할 수 있다. 광학 트위저 배열은 장소마다 다른 퍼텐셜을 가지고 있어 원자가 움직이는 능력을 제한한다. 역전파 레이저는 균일한 퍼텐셜을 만들지만 미리 정의된 어떤 기하학적 모양으로 제한한다. 이제 미국 Princeton University의 Zoe Yan과 동료들은 균일한 퍼텐셜을 가진 재구성할 수 있는 임의 모양의 2차원 원자 격자를 만들 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 덫은 전자 모형에서 양자 스핀 상호 작용을 시늉내고 복잡한 위상을 가진 계에서 원자의 행동을 탐색하는 데 바람직하다.

Yan과 동료들은 격자가 완성될 때까지 원자의 선을 순차적으로 추가함으로써 원자 배열을 만든다. 그들은 광학 트위저에 최대 50개의 차가운 리튬 원자를 싣는다. 그런 다음 그들은 진동 변환기를 사용하여 배열의 첫 번째 선을 만드는데, 이 변환기는 단일 레이저 빔을 나누고 휘어지게 하여 빔이 빛점들의 선으로 변할 수 있게 한다. 배열의 이어지는 선은 스트로보 빛처럼 점멸하도록 프로그래밍된 다른 변환기로 만들어지며, 각 선은 스트로보 주기의 일부 동안만 비추어진다. 그 결과는 각 위치가 독립적으로 제어되는 시간 평균 2차원 덫 퍼텐셜이며, 이전의 광학 트위저 배열 실험이 경험했던 불균일성 문제를 극복한다.

그들의 기술을 사용하여, 연구팀은 나선성 스핀 액체와 같은 물질의 이국적인 상태의 거동을 탐구하는 데 사용될 수 있는 직사각형, 삼각형, 그리고 팔각형 고리 모양의 원자 배열을 만들었다.

Two-Dimensional Programmable Tweezer Arrays of Fermions, Zoe Z. Yan, Benjamin M. Spar, Max L. Prichard, Sungjae Chi, Hao-Tian Wei, Eduardo Ibarra-Garcia-Padilla, Kaden R. A. Hazzard and Waseem S. Bakr, Phys. Rev. Lett. 129, 123201 (2022), Published September 14, 2022.