2009. 1. 9 전자의 또 다른 얼굴: 재미있는 스핀의 세계 김상국 서울대학교 스핀파 동역학-소자 연구단 E-mail :sangkoog@snu.ac.kr (http://sdsw.snu.ac.kr/) Since April, 2006 Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device Since 2002
목차 주변에서 흔히 볼 수 있는 스핀 - 생명체와 밀접한 관계, 생명유지 - 전자기학 - 자기기술 - 전자의 또 다른 얼굴: 스핀 본 창의단 연구분야 - 스핀파 - 자기소용돌이 - 스핀을 이용한 미래 자기소자 하고 싶은 말 Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device
막대자석에서 나오는 이상한 힘 자기장: 일을 할 수 있는 힘 (magnetic field) N S 자석(magnet)
지구에서 가장 큰 자석 S N 자기장의 세기 (Oe는 자기장의 단위) - 지구의 자기장 ~ 0.5 Oe -자기기록장치~ 100 Oe - 전자석 ~ 1000 Oe 지리학적인 북극과 자기북극은 다르다.
지구와 자기장 액체 상태의 외핵 - 지구의 자기장은 대부분 액체상태인 외핵의 회전에 의해 생성. - 지구 자기장의 N극과 S극의 방향은 매 50만년마다 바뀐다.
미션: 지구의 상명체를 보호하라 초강력 태양폭풍 2012년 습격 ( 2006. 5. 4 조선일보) 미 항공우주국(NASA), 해양대기청(NOAA) 우주기상주간 회의 NASA 스텐 오든월드박사. 태양폭풍, 1859년의 위력. 인공위성, 각종통신수단, TV 라디어, 정전 300개의 정지궤도 위성 5-10 년 수명단축 28조 손실, 경제적 파급효과는 65조.
작은 막대자석 사슬로 이루어진 작은 생명체 자성 박테리아 (Magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum, Courtesy Dr. R. Frankel) http://www.daviddarling.info/images/ma gnetotactic_bacterium.jpg http://scripts.mit.edu/~gamba/ 자성박테리아와 자석 사슬 자석 결정의 사슬을 확대한 모습
철새의 눈에 있는 자기센서
산소를 운반하는 원자크기의 자석 알파(α) 사슬 헤모글로빈 철분 헤모글로빈 색소(헤미) 베타(β) 사슬 적혈구 베타(β) 사슬 http://kmc.snu.ac.kr/~kssoh/c 알파(α) 사슬 ourse/inquiry/1999/6/nae2- /course/inquiry/1999/6/nae 2-3.htm나선구조 (polypeptite molecule) -혈액1mm²당 450-500만개의 적혈구. - 적혈구의 성분은 수분을 제외하면 거의 헤모글로빈 - 헤모글로빈은 헤미라는 자성을 띤 철을 함유한 붉은 색소와 글로빈이라는 단백질로 구성 - Fe 원자크기의 막대자석 산소를 운반하는 역할
막대자석은 무엇으로 이루어져 있을까? - 기원 N Fe 3 TiO 4 (사산화삼철이 주성분이고, 티탄이 상당량 들어있는 광물) S Magnet(마그넷) : - 자석이 산출되는 소아시아의 도시인 Magnesia(마그네시아)에서 유래 -기원전 3세기 Magnus(마그누스)라는 이름을 가 진 한 양치기가 철판으로 만든 신발을 신고 자석 이 함유된 바위 위에 쉬고 있다가 발을 뗄 수 없 다는 사실로부터 발견.
인류최초의 자기소자 Si Nan the south governor China. Ca. 200 BC Chinese book: Book of the Devil Valley Master 천연자석 스푼 동판(비자성체) 남쪽을 가리킴
나침반은 어떻게 남북을 가리키는 것일까? 항해에서 나침반 이용 : 중국인들이 실제로 항해에 나침반을 쓴 것 은 11세기 말 또는 12세기 초이며, 12세기 말경에 유럽으로 전해졌다. 1600년대 De Magnete. 지구는 자석이다 나침반은 지구의 자기장에 따라 움 직인다. 윌리엄 길버트 (Whilliam Gilbert) (영국. 1544-1603)
전류가 만드는 자기장 1820년 4월 어느날, Oersted(에르스텟)은 조수, Hansteen(한스틴) i H = 2πr H: 자기장 세기 i: 전류 r: 도선으로부터의 거리 http://www.ieap.uni -kiel.de/plasma/agpiel/vorl/kap30/oer sted2.jpg 전류가 에르스텟(Hans 흐르는 도선이 Christian 만들어낸 Oersted) 자기장이 바 늘의 방향을(덴마크, 바꾸고1777-1851) 있다.
전류가 흐르는 도선으로 만든 막대자석 전류가 도선을 따라 흐르면 도선 주위에 자기장이 생긴다. 자기장 자기장 전류 N S
막대자석으로 전기를 만들어 낼 수 있을까? 1831: 산업 사회의 시작 페러데이 인덕션법칙 마이클 패러데이 (Michael Faraday) (영국. 1791-1867)
사람은 생각한다. 원하는 에너지로 변환 기계적 에너지=> 전기에너지 전선 고리가 자기장 내에서 회전할 때 전류가 생성된다. 전기에너지=>기계적 에너지 자기장안에있는전선고리 에 전류가 흐르면 고리는 회 전하게 된다.
빛도 자기구성요소로 이루어져 있다. 1845: 빛과 자기는 서로 연결되어 있다! 마이클 패러데이 (Michael Faraday) (영국. 1791-1867)
빛은 전자기파의 일종 1864: 맥스웰 방정식, 전기현상과 자기현상을 연결 제임스 클럭 맥스웰 (James Clerk Maxwell) (스코틀랜드, 1831 1879) - 전자기파는 전기장(빨간선)과 자기장 (파란선)으로 이루어진다. - 전자기파의 자기장과 전기장은 서로 수직이다.
우리 주변에는 수 많은 전자기파가 지나간다. 마이크로파 적외선 가시광선 라디오, TV 자외선 X-선 무선 기술이 사라진 세상을 상상할 수 있을까? 에너지 전달, 정보 전달 γ-선
자기장을 만들어내는 것들 질문: 주변에 자 기장을 만들어 내는 물체나 장 치는?
자석으로 이루어진 첨단 장치는? 질문: 자성체로 이루어진 첨단 장치는? <자기 부상 열차> <자기공명촬영장치(MRI)> <하드 디스크>
하드디스크 드라이브 (Magnetic hard disk drive) 자기저항헤드
컴퓨터안의자기정보기억소자 Active Memory 휘발성 램(RAM) 1 미래의 비휘발성 자성 메모리 장치 정보저장장치 하드디스크(HDD) 현존하는 정보기억소자 자화 방향(Up & Down)을 기록 서로 반대 방향을 가지는 자화의 방향으로 0 과 1 을구분
하드디스크 드라이브: 자기기록 미디어와 헤드
하드디스크 기록용량의 발전사 Nikkei Electronics (2005. 7.)
정보 저장 밀도 (Date Storage Density) - 연간 전 세계적으로 530억 달러 수익 과거의 저장장치 50개의 디스크 총4.4 MB 사용료: 연간$ 35,000 14 인치 노래 1 곡!! IBM 305 RAMAC (1956) 오늘날의 저장장치 2 inch 100 X 180 (mm) 300 GB = 300,000 MB $ 95 10,000 곡!! MP3 Players 40GB
정보 기록 속도 (Data recording speed) - 작아지고 빨라졌다! 레코드 플레이어 시간당 1마일 지름 12인치 33 RPM => 1초에 1트랙 시간당 1000마일 15,000 RPM => 1바퀴에 (4 /1000)초!! 하드 디스크 2 인치 0 1 0 0 1 1
전자의또다른얼굴: 스핀 Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device
막대자석은 무엇으로 이루어져 있을까? 막대자석 원자크기의 작은 막대자석 N S 0.1 nm 가 1cm 라면 1cm 는 1,000 km!!!
고전역학 vs 양자역학 코일이 형성한 자석 원자크기의 막대자석
양자개념의 스핀 전자는 고유 각운동량을 가진다. 전자 구름 전자 원자의 구조 전자는스핀업과다운의두가지상태를 가지고 있다. 원자는 수 많은 전자로 이루어져 있다.
Stern-Gerlach의 실험 스핀에 대한 미스터리 :실험결과 스핀은 언제나 불연속 적인 값을 갖는다 up or down 두 상태의 전자 스핀
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팽이 vs 스핀의 세차운동 : 유효 자기장 팽이 스핀 (Spin) F g : 중력장 0.1 s/rev 3.57 ns/rev
여러 회전운동의 주기 여러가지 운동에 걸리는 시간 M 수소전자의 궤도운동 : 1.52 X 10-16 초/회전 Phonon의 진동(80 K에서 제조된 Ge) : 9 X 10-12 초/주기 세차운동 (NiFe, 100 Oe) : 3.57 X 10-9 초/회전 회전목마 : 20 초/회전 지구의 공전 : 365.24 일 = 3.16 X 10 7 초/회전 태양의 공전 : 2억년 = 6.3 X 10 15 초/회전
스핀사슬의파도타기: 파동거동 M
스핀파: 나노초 단위의 개별스핀 세차운동이 집단적 파동 거동을 보임
빠른 운동은 셔터 속도가 빨라야 관찰할 수 있다.
다양한 파동현상 수면파 수면파의Propagation 진행(파도) 빛(전자기파)의 반사 전자기파의 굴절 수면파의 회절 수면파의 간섭
스핀파 방사 물결파 ( Water Wave )의 방사 외부 자기장 : 자기 소용돌이를 반전시키는 역할 자기 소용돌이 ( Vortex -> 스핀파 ) 방사 자기 소용돌이 반전
스핀파 생성과 전달 스핀파 방사와 전파 자기 소용돌이의 자화 반전에 의 해 생성된 스핀파가 와이어 형태 의 스핀파 도파로를 따라 진행. 자기 소용돌이 구조를 가진 원형 디스크면에 가해준 외부 자기장에 의 해 자기 소용돌이 구조가 뒤집히면서 스핀파가 생성된다. (자기 소용돌이의 자화 반전 현상)
스핀파 간섭현상 ( Spin wave Interference ) 영의 이중 슬릿 실험 ( Young s Experiment ) P 1 P 2 P 2 광원으로부터 빛이 생성 빛의 간섭 현상 관찰! 빛이 두 슬릿을 통과후 P 2 에서 두 개의 빛으로 분산.
스핀파 간섭현상 ( Spin wave Interference ) 스핀파 간섭 실험 P 1 P 2 P 2 P 1 P 2 P 2 원형디스크로 부터 방사된 스핀파가 와이어 형태의 스 핀파 도파로를 따라 진행 하 다가 P 1 지점에서 둘로 갈라 져서 진행한뒤 각각 P 2, 지점 에 도달.
스핀파 간섭현상 ( Spin wave Interference ) 스핀파 간섭 현상 수면파의 간섭 현상 P 2 P 2 서로 다른 두 경로를 통해 진행된 스핀파가 각각 P 1 P 2 를 통과해 진행 하며 두 스핀파는 물결파의 간섭과 유사한 결과를 얻을 수 있다.
스핀파 간섭계 스핀파 전류 전류의 세기: 0 A/m 2 동위상 2.0x10 11 A/m 2 역위상
스핀파 간섭계 J=0 A/m 2 J=2.0x10 11 A/m 2 0.5 스핀파 입사 t = 0.21 ns in out in out t = 0.62 ns 0 M z /M s (%) t = 1.65 ns ΔΦ = 0 동위상 ΔΦ = π 역위상 1 0-0.5
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자연계에 존재하는 소용돌이 구조 나선은하 태풍 오데사 불랙홀 태풍 루사(2002. 8.)
자기박막에 존재하는 소용돌이 구조 선, 칼라는 자화방향의 수평성분 수직성분 Fe 박막 S.-K. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 86, 052504 (2005) - the cover of the January 31, 2005 issue
자기 소용돌이의 자세한 스핀 구조 자기 소용돌이는 자성 박막면과 수직한 스핀(자기 소용돌이 핵)과 자성 박막 면에 평행한 스핀의 회 전배열로 구성된다. A. Wachowiak et al., Science 298, 577 (2002) 자기력현미경(MFM)으로 관찰한 1 µm 퍼멀로이 디스크 T. Shinjo et al., Science 289, 930 (2000)
자기소용돌이의 동적거동 Spiral galaxy
자기 소용돌이 (NiFe) 우리은하 블랙홀 지름 7 3.0 10 m 20 9.5 10 m 상상도 초당 회전수 8 3.3 10 Hz 16 6 1.6 10 Hz (for sun) 2.07 10 Hz (for Cyg X-1) 1회전 : 3.03 나노초 1회전 : 2억년 1회전: 5.6 일
유비쿼터스(Ubiquitous) 시대 도래 더 작고, 더 똑똑하고, 더 싼 제품 - 미국 인텔: 명함크기 컴퓨터인 퍼스널 서버 (Personal Server) -자이버넷사: 입는 PC(Wearable PC) -삼성전자: 기가 및 테라급 비휘발성 휴대 초고밀도 메모리 개발중 유비쿼터스 물결이 향후 20~30년의 변화 를이끌것 유비쿼터스 산업은 10년 후 한국산업을 선 도할 동력 -6월 9일 지능기반사회(u-코 리아) 구축 전략을 발표
Universal Memory 조건 비휘발성 고밀도 초고속 저전력 저비용 휴대성... MRAM
현 정보 저장/기록 방식의 원천 핵심기술 정보 저장 방법 정보 기록 방법 0 자화용이축 1 1 0 1 스핀 스핀 자성박막 자성박막
컴퓨터는 0 과 1 밖에 모른다. 핵의 자화방향을 이용하여 2진법의 정보 저장장치로 사용할 수 있다 1 0 UP DOWN 핵의 반전을 통해 0 과 1 을 바꿈으로써 정보의 기록이 가능하다. up down up down
자기 소용돌이 핵을 이용한 정보 기록 자기장(또는 전류) 안정한 상태의 자기 소용돌이 핵 자기장 인가에 따른 자기 소용돌 이핵의 회전운동 자기 소용돌이핵의 자화방향 반전 및 스핀파 방사 자기 소용돌이핵의 자화방향반전완료
자기소용돌이의 응용: 브이-램(VRAM)의 개념도 1 1 1 1 1 0 전류나 자기장을 이용한 핵의 반전 을통하여정보를 저장할 수 있다.
자성을 이용한 미래의 기술 자기 소용돌이 를 이용한 정보 저장장치 스핀파를 이용한 논리 연산 장치
스타벅스 커피 20잔 vs HDD 가격 비교 스타벅스 헤이즐럿 카라멜 모카 (5300 원) 커피 20 잔 = 106,000 원 HDD 500 GB = 약 110,000 원
2007년 노벨 물리학상 수상자들 A.Fert 1970년 파리 11대학에서 박사 학위 현재 같은 대학에서 교수로 재직 중 1988년 '거대자기저항(GMR, Giant Magnetro- Resistance)'을 발견 Peter Grünberg 1966년 다름슈타트 공과대학 박사학위 현재 율리히 연구센터에서 교수로 재직 1988년 '거대자기저항(GMR, Giant Magnetro- Resistance)'을 발견
Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Devices (ReC-SDSW)