2008. 11. 7 스핀의 파도타기 스핀을 이용한 전자소자 만들기 김상국 서울대학교 스핀파 동역학-소자 연구단 sangkoog@snu.ac.kr (http://sdsw.snu.ac.kr/) Since April, 2006 Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Devices Since 2002
목차 - 생명체를 유지 - 자기, 전기학의 역사 - 자기기술 - 스핀이란? - 스핀파 - 자기소용돌이 - 스핀을 이용한 미래자기소자 Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device
막대자석에서 나오는 이상한 힘 자기장 (magnetic field) N S 자석(magnet)
지구상에서 가장 큰 자석 자기장의 세기 (Oe는 자기장의 단위) - 지구의 자기장 ~ 0.5 Oe - 자기 기록 장치 ~ 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
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: 나침판 Si Nan the south governor China. Ca. 200 BC Chinese book: Book of the Devil Valley Master 천연자석 스푼 동판(비자성체) 남쪽을 가리킴 Chinese actually didn t use it for navigation. They used it for direction pointers.
나침반은 어떻게 남북을 가리키는 것일까? 항해에서 나침반의 이용 : 중국인들이 실제로 항해에 나침반을 쓴 것 은 11세기말또는12세기초이며, 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 조수였 던 Hansteen(한스틴)과 실험을 하고 있었다. 그러 나실험도중한스틴의실수로도선에전류가흐 르게 되었고 그 결과 도선 주위의 바늘이 움직여 수직 방향을 가리키는 현상을 관찰하였다. i H = 2πr H: 자기장 세기 i: 전류 r: 도선으로부터의 거리 전류가 흐르는 도선이 만들어낸 자기장이 바 늘의 방향을 바꾸고 있다. 에르스텟(Hans Christian Oersted) (덴마크, 1777-1851) http://www.ieap.uni -kiel.de/plasma/agpiel/vorl/kap30/oer sted2.jpg
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 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 제임스클럭맥스웰 (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? γ-선
자기장을 만들어내는 것들 질문: 주변에 자 기장을 만들어 내는 물체나 장 치는?
자성체로 이루어진 첨단 장치는? 질문: 자성체로 이루어진 첨단 장치는? <자기 부상 열차> <자기공명촬영장치(MRI)> MY2 <하드 디스크>
하드디스크 드라이브 (Magnetic hard disk drive) 자기저항헤드
컴퓨터 안의 자기 정보기억소자 Active Memory 램(RAM) 1 미래의 비휘발성 자성 메모리 장치 정보저장장치 하드디스크(HDD) 현존하는 정보기억소자 자화 방향(Up & Down)을기록 서로 반대 방향을 가지는 자화의 방향으로 0 과 1 을 구분
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
거대자기저항 (Giant Magnetoresistance) M. N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
스핀밸브 (Spin-Valve) Ω Ω
스핀이란 무엇인가? 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 100,000 km!!!
고전역학 vs 양자역학
양자개념의 스핀 전자는 고유 각운동량을 가진다. 전자 구름 전자 원자의 구조 전자는스핀업과다운의두가지상태를 가지고 있다. 원자는 수 많은 전자로 이루어져 있다.
두 상태의 전자 스핀 Stern-Gerlach의실험 스핀에 대한 미스터리 :실험결과 스핀은 언제나 불연속 적인 값을 갖는다 up or down
Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device
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
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 지구의공전: 365.24 일 = 3.16 X 10 7 초/회전 태양의공전: 2억년 = 6.3 X 10 15 초/회전
스핀 사슬의 파도타기 : 파동 거동 M
스핀파: 나노초 단위의 개별스핀 세차운동이 집단적 파동 거동을 보임 Δt 1ns
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 P2 P1 P2 P2 P1 P2 원형디스크로 부터 방사된 스핀파가 와이어 형태의 스 핀파 도파로를 따라 진행 하 다가 P1 지점에서 둘로 갈라 져서 진행한뒤 각각 P2, 지점 에 도달.
스핀파 간섭현상 ( Spin wave Interference ) 스핀파간섭현상 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 전류의 세기: 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
Research Center for Spin Dynamics & Spin-Wave Device
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 S.-K.KIM7 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
컴퓨터는 0 과 1 밖에 모른다. 핵의 자화방향을 이용하여 2진법의 정보 저장장치로 사용할 수 있다 1 0 DOWN UP 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 을 통하여 정보를 저장할 수 있다.
자성을 이용한 미래의 기술 자기 소용돌이를 이용한 정보 저장장치 스핀파를 이용한 논리 연산 장치 자화 방향을 이용한 정보 저장 장치 Science, 320, 190 S.S.Parkin et al.(2008) 자구벽을 이용한 논리 연산 장치 Science, 309, 1688 D.A. Allwood et al. (2005)
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)