과학자들은 작은 자기 소용돌이 안에서 기괴한 새로운 상태를 발견합니다

자기 소용돌이는 크기가 마이크로미터 또는 나노미터에 불과한 니켈-철과 같은 재료로 만들어진 초박형 디스크에서 형성됩니다. 이러한 구조 내부에는 소형 나침반 바늘처럼 작동하는 작은 자기 모멘트가 원형 패턴으로 정렬됩니다. 방해를 받으면 경기장 관중이 조화로운 “파도”를 수행하는 것과 유사한 방식으로 파도가 시스템을 통해 파급됩니다. 각각의 자기 모멘트는 약간 기울어지며 그 움직임을 다음 순간으로 전달하여 연쇄 반응을 일으킵니다. 이러한 집합적인 파동과 같은 여기를 마그논이라고 합니다.

“이러한 마그논은 전하 수송 없이 자석을 통해 정보를 전송할 수 있습니다”라고 HZDR 이온빔 물리학 및 재료 연구소의 프로젝트 리더인 Helmut Schultheiß 박사는 설명합니다. “이 기능은 차세대 컴퓨팅 기술 연구에 매우 매력적입니다.”

작은 자기 디스크의 예상치 못한 주파수 빗

연구자들은 특히 작은 자기 디스크를 실험하여 수 마이크로미터에서 불과 수백 나노미터로 축소했습니다. 그들의 목표는 디스크 크기가 정보 처리에 대한 뇌에서 영감을 받은 접근 방식인 뉴로모픽 컴퓨팅에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 탐구하는 것이었습니다. 그런데 데이터를 분석하던 중 특이한 점을 발견했습니다. 단일 공명 신호 대신 일부 디스크는 일련의 긴밀한 간격의 선을 생성하여 주파수 빗이라고 알려진 신호를 형성했습니다.

Schultheiß는 “처음에는 측정 인공물이나 일종의 간섭이라고 가정했습니다.”라고 회상합니다. “그러나 실험을 반복하자 효과가 다시 나타났습니다. 바로 그때 우리가 진정으로 새로운 것을 보고 있다는 것이 분명해졌습니다.”

회전하는 소용돌이 코어가 새로운 진동 상태를 구동합니다.

이 설명은 19세기에 주기적인 힘에 노출된 시스템이 완전히 새로운 진동 상태를 개발할 수 있음을 보여준 프랑스 수학자 Gaston Floquet의 작업으로 거슬러 올라갑니다. 일반적으로 이러한 Floquet 상태를 생성하려면 종종 강렬한 레이저 펄스에 의해 전달되는 큰 에너지 입력이 필요합니다.

이 경우, 연구자들은 마그논에 충분한 에너지가 공급되면 자기 소용돌이가 자연스럽게 플로케(Floquet) 상태를 생성할 수 있음을 발견했습니다. 마그논은 에너지의 일부를 소용돌이 중심으로 전달하여 중심 주위의 작은 원형 경로로 움직이게 합니다. 이 작은 움직임조차도 자기 상태를 리드미컬하게 변경하기에 충분합니다.

실험에서는 이것이 주파수 빗으로 나타납니다. 하나의 날카로운 신호 대신, 순수한 톤이 고조파로 분할되는 방식과 유사하게 균등한 간격으로 여러 개의 선이 나타납니다. Schultheiß는 “이렇게 미세한 핵심 운동이 친숙한 마그논 스펙트럼을 완전히 새로운 상태로 변환하는 데 충분하다는 사실에 놀랐습니다.”라고 말했습니다.

큰 잠재력을 지닌 초저에너지 혁신

발견의 가장 놀라운 측면 중 하나는 필요한 에너지가 얼마나 적다는 것입니다. 이전 방법은 고출력 레이저에 의존했지만 이 효과는 스마트폰이 대기 모드에서 사용하는 것보다 훨씬 적은 마이크로와트의 전력으로 발생할 수 있습니다.

이러한 효율성은 새로운 가능성을 열어줍니다. 이러한 방식으로 생성된 주파수 빗은 초고속 테라헤르츠 신호를 기존 전자 장치 또는 양자 장치와 연결하여 매우 다른 시스템을 동기화하는 데 도움이 될 수 있습니다. Schultheiß는 “우리는 이를 범용 어댑터라고 부릅니다.”라고 설명합니다. “USB 어댑터를 사용하면 서로 다른 커넥터가 있는 장치가 함께 작동할 수 있듯이 Floquet 마그논은 호환되지 않는 주파수를 연결할 수 있습니다.”

미래 컴퓨팅과 양자 통합을 향하여

연구팀은 동일한 메커니즘이 다른 자기 구조에도 적용될 수 있는지 조사할 계획이다. 이번 발견은 마그논 기반 신호, 전자 회로 및 양자 구성 요소 간의 통신을 가능하게 함으로써 미래 컴퓨팅 시스템 개발에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Schultheiß는 “한편으로 우리의 발견은 자기의 근본적인 문제를 해결하기 위한 새로운 길을 열어준다”고 강조합니다. “다른 한편으로는 전자, 스핀트로닉스, 양자 정보 기술 영역을 상호 연결하는 귀중한 도구 역할을 할 수 있습니다.”

자기 소용돌이의 모든 측정과 여러 장비의 데이터 분석은 실험실 자동화 도구로 사용할 수 있는 HZDR에서 개발된 Labmule 프로그램을 사용하여 수행되었습니다.