엔지니어들은 자석을 그래핀처럼 행동하게 만듭니다.

에 발표된 연구에서 물리적 검토 X일리노이 대학교 어바나 샴페인(Urban Champaign) 그레인저 공과대학(Grainger College of Engineering) 연구원들은 어떻게 특별히 설계된 2차원 자기 시스템이 그래핀의 이동 전자를 설명하는 동일한 방정식을 따를 수 있는지를 보여주었습니다. 이러한 수학적 연결은 무선 주파수 장치의 설계에 영향을 미칠 수 있으며 연구자들에게 이러한 재료를 분석하고 엔지니어링하는 강력하고 새로운 방법을 제공할 수도 있습니다.

이번 연구의 수석 저자인 Bobby Kaman은 “2D 전자 장치와 2D 자기 동작 사이에 유사점이 있다는 것이 전혀 명확하지 않으며 우리는 이 비유가 얼마나 잘 작동하는지 여전히 놀랍습니다.”라고 말했습니다. “2D 전자공학은 그래핀의 발견 덕분에 매우 잘 연구되었으며, 이제 우리는 잘 연구되지 않은 종류의 재료가 동일한 기본 물리학을 따른다는 것을 보여주었습니다.”

메타물질과 그래핀에서 얻은 영감

이 개념은 Kaman의 메타물질 연구에서 비롯되었습니다. 이러한 물질은 더 큰 규모의 구조가 물질의 자연적인 원자 배열에서 일반적으로 발생하지 않는 동작을 생성하도록 설계되었습니다.

Axel Hoffmann 교수의 연구 그룹에서 일하는 재료 과학 및 공학 대학원생 Kaman은 소위 마그노닉 물질이라고 불리는 그래핀 전자와 미세한 자기 여기가 파동처럼 거동한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 유사성은 흥미로운 가능성을 불러일으켰습니다. 아마도 자기 시스템은 수학적으로 그래핀처럼 동작하도록 설계될 수 있을 것입니다.

“그래핀은 전도 전자가 질량 없는 파동으로 조직되기 때문에 독특합니다. 따라서 그래핀처럼 보이도록 마그노닉 물질의 물리적 기하학적 구조를 변경하면 그래핀처럼 작동하게 될지 궁금했습니다.”라고 Kaman은 말했습니다. “나는 이것이 그래핀과 몇 가지 유사한 특성을 가질 것이라고 생각했지만, 그 비유는 내가 예상했던 것보다 훨씬 더 깊고 풍부했습니다.”

그래핀을 모방한 자기 시스템 설계

아이디어를 탐구하기 위해 연구진은 육각형 패턴으로 배열된 작은 구멍을 포함하는 얇은 자기 필름을 모델링했습니다. 이 구조 내에서 “스핀”으로 알려진 미세한 자기 모멘트가 상호 작용하여 스핀파라는 이동 교란을 생성합니다.

연구팀은 이러한 스핀파의 에너지를 계산했을 때 스핀파의 수학적 거동이 그래핀을 통해 이동하는 전자의 수학적 거동과 밀접하게 일치한다는 사실을 발견했습니다.

시스템은 예상보다 훨씬 더 복잡한 것으로 나타났습니다. 연구자들은 단순한 일대일 비유 대신 9개의 서로 다른 에너지 밴드를 식별했습니다. 이러한 밴드를 사용하면 여러 유형의 동작이 동시에 나타날 수 있습니다. 그 중에는 그래핀의 전자파와 유사한 질량이 없는 스핀파뿐만 아니라 국지적 상태와 관련된 낮은 분산 밴드, 심지어 여러 밴드에 걸쳐 있는 위상 효과도 있습니다.

Hoffmann은 “Bobby의 작업을 놀랍게 만드는 것은 공학적 스핀 시스템과 기본 물리학 모델을 직접 연결한다는 것입니다.”라고 말했습니다. “마그닉 결정은 압도적으로 다양한 구조 및 기하학적 종속 현상을 생성하는 것으로 악명 높으며, 그 중 대부분은 실제로 이해되지 않은 채 분류되어 있습니다. 이 시스템의 그래핀 비유는 관찰된 동작에 대한 명확한 설명을 제공합니다.”

더 작은 마이크로파 장치의 가능성

기초 물리학에 대한 중요성 외에도 이 연구는 실용적인 응용이 가능합니다. 팀은 이 시스템이 무선 및 셀룰러 통신에 사용되는 마이크로파 기술에 유용할 수 있다고 믿습니다.

Hoffmann은 “이러한 장치 중 하나는 마이크로파 무선 신호가 한 방향으로만 전파되도록 허용하는 ‘마이크로파 순환기’입니다.”라고 설명했습니다. “그들은 일반적으로 부피가 크지만, 우리가 연구한 마그노닉 시스템을 통해 마이크로파 장치를 마이크로미터 규모로 소형화할 수 있습니다.”

Hoffmann의 연구 그룹은 이미 마이크로파 장치 개념을 다루는 특허 출원을 제출했습니다.

임진호(Jinho Lim)와 류잉카이(Yingkai Liu)도 연구에 기여했다.

이 연구에 대한 지원은 국립과학재단(National Science Foundation)을 통해 일리노이 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(Illinois Materials Research Science and Engineering Center)에서 제공했습니다.

Axel Hoffmann은 재료 과학 및 공학과의 재료 과학 및 공학을 전공하는 일리노이 Grainger 공학 교수입니다. 그는 또한 재료 연구소에 소속되어 있으며 창립 교수로 임명되어 있습니다.