데이터 저장 혁명: 투명 망토 입은 차세대 자기 나노구조

• 연구자들이 투명 망토를 입은 자기 나노구조를 설계했습니다.
• 투명 망토의 강도를 신중하게 조절하여 미세 자기 비트 구조의 고속화를 달성할 수 있습니다.

고성능 솔리드 스테이트 데이터 저장 및 로직 애플리케이션을 위해 연구자들은 스핀 기반 장치에 집중하고 있습니다. 유망한 접근법 중 하나는 작은 스키르미온이나 도메인 월로 비트를 인코딩하는 것으로, 이는 레이스 트랙 기반 장치에서 전류에 의해 이동될 수 있습니다.

물리학자들에게 자성은 주로 원자 내 전자의 회전 운동과 연결됩니다. 전자는 핵 주위를 돌고 자신의 축을 중심으로 회전합니다. 이 움직임은 원자의 자기 모멘트를 생성합니다.

이 자기 모멘트에 해당하는 자기 유도장은 장치에서 자기적으로 저장된 데이터를 추출/읽는 데 사용됩니다. 기존 하드 드라이브에서 하나의 자기 비트 크기는 약 15×45나노미터에 이르며, 대략 1조 개가 우표 위에 놓일 수 있습니다.

칩의 고정된 위치에 비트를 자기적으로 저장하고 나중에 추출하려면 전류 펄스를 통해 자기 비트를 칩 내에서 앞뒤로 이동시킬 수 있어야 합니다. 문제는 자기 유도장이 더 조밀한 데이터 패킹을 위해 비트를 더 작게 만드는 것을 방해한다는 것입니다. 또한 유도장과 관련된 자기 모멘트는 구조물을 이동시킬 수 있어야 합니다.

원자의 투명 망토

이 연구에서 연구자들은 자기 나노구조에 '투명 망토'를 성공적으로 입히고, 이 비트들이 실제로 얼마나 빠르고 작아질 수 있는지 분석했습니다. 이를 위해 전자가 반대 방향으로 회전하여 반대 자기 모멘트를 가진 서로 다른 원소의 원자들을 결합했습니다.

이로써 자기 유도장이 상쇄되거나(또는 일부 경우 감소)했으나, 나노구조의 각 원자는 여전히 자기 모멘트를 가집니다. 함께하면 이 원자들은 망토를 입은 것처럼 보입니다.

참조: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | 막스 보른 연구소

망토에도 불구하고 연구자들은 X선 홀로그래피를 통해 미세 구조를 이미징했습니다. 하나의 원자 종의 자기 모멘트만 선택적으로 가시화함으로써, 투명 망토에도 불구하고 구조의 이미지를 기록했습니다.

인접 원자 모멘트 사이의 강자성(FM) 및 반강자성(AFM) 정렬 | 연구진 제공

데이터 저장 응용

투명 망토의 강도를 신중하게 구성함으로써 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있습니다.

원형 자기 구조의 크기는 매우 작습니다: 가장 작은 구조의 반경은 5나노미터에 불과했습니다. 향후 이 구조들이 데이터 저장 장치에 채택된다면 용량이 크게 증가할 것입니다.

추가 조사에 따르면 망토를 입은 비트는 짧은 전류 펄스로 매우 빠르게 이동할 수 있습니다. 이는 메모리 장치에서의 실제 사용을 위한 중요한 매개변수 중 하나입니다. 연구자들은 1km/s 이상의 속도에 도달했다고 언급했습니다.

전자의 핵 주위 공전과 전자 자신의 축 주위 스핀 모두 자기 모멘트에 다르게 기여합니다: 전자 자신의 스핀 효과는 전자의 공전 효과보다 두 배 큽니다.

전자의 회전 방향이 다른 다양한 유형의 원자를 결합하여 전체 회전을 상쇄할 수 있습니다. 소위 시스템의 각운동량은 일정하게 유지되면서 시스템은 여전히 약간의 자기 모멘트를 유지합니다.

참조: 나노자석의 최고 밀도로 데이터 저장

각운동량이 전류 펄스를 통해 이동하는 자기 구조를 감속시키므로, 이 기술은 고속 운동을 달성하는 데 사용될 수 있습니다. 따라서 투명 망토의 강도가 올바르게 구성되면 고속과 미세한 크기의 자기 비트 구조를 모두 얻을 수 있습니다. 이는 새로운 자기 데이터 저장 개념의 흥미로운 측면입니다.