반도체 자성 핵심: 프랙탈 패턴

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반도체 자성 핵심: 프랙탈 패턴

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양자 영역에서 관찰된 프랙탈 패턴
ⓒ2010 HelloDD.com

물리학자들은 프랙탈이 양자 세상에 존재한다고 믿고 있으며 최근 이 사실을 입증했다. 이번에 보고된 연구 결과는 전자와 연관된 파동이 서로 간섭하기 시작할 때 발생하는 프랙탈 패턴을 나타냈다. 프랙탈은 기본적 패턴이 점점 작아지면서 반복되는 기하 객체이다.

상공에서 거대한 산의 전경을 보는 것에서부터 특이한 브라운 운동의 궤도에 이르는 프랙탈 패턴(fractal patterns)은 자연에서 다양한 크기 규모로 존재한다. 물리학자들은 프랙탈이 양자 세상에도 존재한다고 믿고 있으며, 최근 이러한 믿음이 허황된 망상이 아니란 사실이 입증되었다. 이번에 보고된 연구 결과는 전자와 연관된 파동(waves)이 서로 간섭하기 시작할 때 발생하는 프랙탈 패턴을 나타내었다.

프랙탈은 기본적 패턴이 점점 작아지면서 반복되는 기하 객체이다. 예를 들어, 강의 경우 상류로 올라갈수록 지류가 점점 좁아지는 형태로 변화되는데, 이때 각 합류점에서의 패턴은 이전에 형성되었던 지류보다 크기만 작은 형태의 프랙탈 패턴으로 볼 수 있다.

한편, 프린스톤대(Princeton University) 알리 야즈다니(Ali Yazdani) 연구진은 이러한 패턴이 또한 고체에서 원자 수준으로 존재한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 효과의 핵심은 재료가 금속에서 절연체로 변환되는 갑작스런 전이이다. 이러한 전이에서 각각의 전자와 연관된 파동은 전체 시스템을 가로질러 확장된 것으로부터 격자의 국부적 위치까지 진행한다.

이와 같은 금속-절연체 전이에서 전자 파동은 짓이겨진다. 이들은 구축 및 파괴 간섭의 복잡한 네트워크에서 서로 영향을 미치기 시작하는데, 이를 통해 프랙탈 패턴이 형성되는 것이다. 야자다니 연구진은 이러한 효과를 원자 수준의 해상도를 제공하는 주사 터널링 현미경(scanning tunnelling microscope)을 이용하여 관찰할 수 있었다.

사용된 재료는 최대 5%의 망간이 도핑된 강자성 반도체인 갈륨 알세니드(gallium arsenide)인데, 연구진은 반도체를 자석으로 어떻게 하면 효율적으로 변환시킬 수 있을지에 관심을 갖고 있었기 때문에 본 재료를 선정하였다. 사실 이와 같은 방식으로 갈륨 알세니드를 도핑하는 것은 입자의 스핀뿐 아니라 전하도 이용하는 스핀트로닉스(spintronics) 분야에서 일반적이다. 스핀트로닉스는 컴퓨터 및 전자소자의 속도를 괄목하게 성장시킬 수 있는 잠재성을 갖고 있다.

프랙탈의 관찰은 이번 연구의 주된 목표가 아니라고 연구진은 말한다. 그들은 위와 같은 프랙탈 패턴을 매일 형성할 수 있었지만, 만들어진 패턴에서 관찰되는 임의적 형태에 대한 문제에 직면하게 되었다. 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 이론을 개발하는데 매진하였으며, 마침내 그들이 관찰한 전자가 국부화 직전에 존재한다는 것을 알 수 있었다.

야즈다니 연구진은 시스템에서 전자의 집합적 거동과 개발적 거동을 비교함으로써 이번 연구 결과를 도출하였다. 향후 연구진의 목표는 관찰된 패턴을 자기 이론과 연결하여 스핀트로닉스 분야의 기초 연구와 개발을 발전시키는 것이다.

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문: http://www.physorg.com/news184602542.html