Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet
전기회로를 구성하는 대표적인 수동소자는 저항, 캐퍼시터 (축전지), 인덕터 (코일) 세가지가 있다. 저항은 전류에 비례하는 전압이 걸리게 되고, 축전지는 교류 전류의 진동수가 작을수록 큰 전압이 걸리고, 인덕터는 반대로 교류 전류의 진동수가 클수록 큰 전압이 걸리게 된다. 저항이나 캐퍼시터는 구성하는 물질을 바꾸거나 구조를 조절함으로서, ~μm 수준의 작은 소자에서도 구현할 수 있다. 하지만 인덕터의 경우 전선의 길이 성분에 비례하는 특성을 가지고 있기 때문에, 소자의 크기가 작아질수록 큰 값의 인덕턴스를 갖는 인덕터를 만들기 힘들어진다. 때문에 op amp 같은 능동소자들을 모아모아서 인덕터처럼 행동하는 회로를 만드는 식으로 해결하기도 한다.
Nature 에 실린 이 논문은, 작은 크기의 인덕터를 만들 수 있는 가능성을 직접 제시한다. 기존의 인덕터는 전류가 만들어내는 자기장을 이용하지만, 이 논문에선 전류가 Helical magnet 에 흐를 때, 전류와 자화 사이에 생기는 상호작용을 이용한다. 교류 전류가 흐르게 되면 자석 내부의 자화는 Spin transfer torque를 받게 되는데, 이 힘에 의해서 자화는 흔들거리게 된다. 이런 자화의 시간에 따른 움직임, 그리고 helical magnet이라서 가지고 있는 공간상에서의 자화 변화 이 두 가지 요소가 한데 합쳐져 Emergent magnetic field를 만들게 된다.
Emergent magnetic field는 실제로 자기장이 걸리는 것은 아니지만, 고체 내부에서 여러 장애물을 거쳐가며 지나가야 하는 전자 입장에선 마치 자기장처럼 느껴지는 힘이다. 앞서 인덕터는 전류가 만드는 자기장이 원인이라고 했다. 흐르는 전류 입장에선 emergent magnetic field는 자기장처럼 느끼기 때문에, 논문에서 helical magnet은 마치 인덕터처럼 행동하며, 흐르는 교류 전류의 진동수가 높아지면 더 큰 전압이 걸리는 것을 볼 수 있다. 지금은 논문에서 사용한 물질이 저온에서 helical 상을 띠기 때문에 당장 기존 소자를 대체할 순 없다. 하지만 이를 실제 소자에 응용할 수 있다면, 기존에 만들기 힘들었던 매우 작은 크기의 인덕터를 만드는데 이런 현상이 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
작성 이택현
E-mail : rahon6000@kaist.ac.kr
참석자(ZOOM seminar): 박민규, 원운재, 박재현, 강준호, 김현규, 박지호, 이근희, 송무준, 양지석, 지유빈, 고산