두 세계 사이를 중재하는 자기 샌드위치
과학자들은 테라헤르츠 방사선과 스핀파를 결합합니다.
날짜:
2023년 1월 31일
원천:
헬름홀츠-젠트룸 드레스덴-로센도르프
요약:
국제 연구팀이 테라헤르츠파와 훨씬 더 짧은 파장, 이른바 스핀파의 효율적인 결합을 위한 새로운 방법을 개발했습니다. 이론적 모델과 함께 그들의 실험은 이전에는 불가능하다고 생각했던 이 프로세스의 기본 메커니즘을 명확히 합니다. 결과는 데이터 처리를 위한 새로운 에너지 절약형 스핀 기반 기술 개발을 위한 중요한 단계입니다.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)가 이끄는 국제 연구팀은 테라헤르츠파와 훨씬 더 짧은 파장, 소위 스핀파를 효율적으로 결합하는 새로운 방법을 개발했습니다. Nature Physics 저널에 전문가들이 보고한 바와 같이 그들의 실험은 이론적 모델과 결합하여 이전에는 불가능하다고 생각했던 이 프로세스의 기본 메커니즘을 명확히 합니다. 결과는 데이터 처리를 위한 새로운 에너지 절약형 스핀 기반 기술 개발을 위한 중요한 단계입니다.
"우리는 수 나노미터 두께의 두 금속 필름으로 구성된 샌드위치형 재료 시스템에서 테라헤르츠 광을 사용하여 고에너지 스핀파를 효율적으로 여기시킬 수 있었습니다. 그 사이에 강자성층이 샌드위치되어 있습니다."라고 연구소의 Sergey Kovalev 박사는 말합니다. 실험이 수행된 HZDR의 방사선 물리학. 전자는 팽이처럼 작동하는 효과적인 스핀을 가지고 있습니다. 그리고 자이로스코프처럼 외부 섭동이 스핀의 회전축을 기울일 수 있습니다. 세차라고 하는 자이로스코프 운동이 이를 따릅니다. 강자성체에서는 전자스핀 사이에 매우 강한 상호작용이 일어나며, 그 결과 국부적으로 시작된 세차운동이 강자성체층 전체에 스핀파 형태로 계속된다. 다른 파동과 마찬가지로 스핀파도 정보 운반체로 사용될 수 있기 때문에 이것은 흥미롭습니다. 각 전자 스핀이 움직이는 동안 강자성체에서는 원자 격자의 위치에 남아 있으므로 전류 흐름이 관여하지 않습니다. 따라서 오늘날의 컴퓨터 칩과 달리 스핀 기반 장치에서는 전류로 인한 열 손실이 없습니다.
편리하게도 고에너지 스핀파의 특성 주파수는 테라헤르츠 범위에 있습니다. 이것은 데이터 전송 및 처리를 위한 새로운 초고속 기술의 목표 범위입니다. 따라서 광학 테라헤르츠 기술을 스핀 기반 장치와 결합하면 IT 기술에 대해 완전히 새롭고 효율적인 개념을 구현할 수 있습니다.
문제: 서로 다른 유형의 파동 간의 통신
광자라고 하는 개별 입자로 설명할 수 있는 빛과 마찬가지로 스핀파의 에너지를 양자화하고 스핀파의 양자를 마그논이라고 합니다. 마그논과 테라헤르츠 광자는 동일한 에너지를 가지므로 서로 쉽게 변환할 수 있어야 합니다. 그러나 그 과정에서 문제가 발생합니다. 두 파동 현상의 속도가 완전히 다릅니다. 테라헤르츠파는 빛의 속도로 전자기 복사로 이동하는 반면, 스핀파는 상호 작용하는 스핀의 존재와 관련이 있습니다. 그들의 전파 속도는 빛보다 수백 배 느립니다. 테라헤르츠파는 파장이 1밀리미터보다 약간 작은 반면, 스핀파는 파장이 수 나노미터에 불과합니다. 결과적으로,
이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 탄탈륨과 백금의 매우 얇은 금속층의 조합을 고안했으며, 그 중간에 강자성 니켈-철 합금의 얇은 층을 삽입했습니다. 이 재료의 조합은 빛의 세계에서 스핀의 세계로 신호를 "변환"하도록 정확하게 조정됩니다.
여러 단계에서 빛에서 회전까지
그들은 HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research에서 기능성 층 재료를 개발하고 생산했습니다. 이를 위해 얇은 유리 기판에 금속 필름을 점진적으로 증착했습니다. "실험에서 우리는 강렬한 테라헤르츠 펄스로 샘플을 폭격하고 광학 레이저 펄스로 빠르게 시변하는 자화를 측정했습니다. 흥미로운 테라헤르츠 펄스가 더 이상 샘플과 상호 작용하지 않는 시간 동안에도 자화의 특징적인 진동을 발견했습니다. "라고 Kovalev는 설명합니다. "우리는 이것이 우리가 찾고 있던 스핀파라는 것을 자신 있게 보여줄 수 있을 때까지 외부 자기장 및 층의 다른 재료 구성과 같은 많은 요인을 변경했습니다."라고 팀 동료인 Ruslan Salikhov 박사는 말합니다. 자기 재료.
전자기파를 스핀파로 변환하기 위해 팀은 다양한 양자 효과의 전체 범위를 활용했습니다. 비유적으로 말하면 이러한 효과는 테라헤르츠파와 스핀파가 서로를 이해하도록 합니다. 첫째, 테라헤르츠 방사선은 중금속의 자유 전자를 가속하여 미세한 전류가 형성되도록 합니다. 이러한 전류는 소위 스핀 홀 효과(spin Hall effect), 즉 매우 특정한 스핀 방향만을 갖는 전자의 전류에 의해 스핀 전류로 변환되어 로컬 공간에서 결과 각운동량을 전달할 수 있습니다. 중금속과 강자성체 사이의 경계면에서 이 각운동량은 강자성체의 스핀에 토크를 가합니다. 이 토크는 스핀파의 형성으로 이어지는 섭동을 정확하게 전달합니다.
서로 다른 샘플을 비교함으로써 과학자들은 이제 테라헤르츠 장 자체가 스핀파를 직접 생성할 수 없다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 우회만이 성공으로 이어집니다. 따라서 그들은 피코초 시간 규모에서 스핀 궤도 토크의 효율성에 대한 이론적 예측을 확인할 수 있었습니다. 따라서 새로운 샘플 시스템은 원칙적으로 회로에 쉽게 통합될 수 있는 테라헤르츠 구동 스핀파 소스로 기능합니다. 이 작업은 새로운 전자 부품에 테라헤르츠 기술을 사용하기 위한 중요한 단계입니다. 동시에 시연된 방법은 스핀 기반 장치의 비접촉 특성화에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/