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Skyrmion의 random motion이 꼭 안 좋은 것만은 아닙니다
Skyrmion의 random motion이 꼭 안 좋은 것만은 아닙니다
이 논문의 내용을 세 줄로 요약하면 다음과 같다.
- Ta/CoFeB/Ta/MgO/Ta 구조에서 반지름 ~ 1um 정도의 skyrmion들을 만들었는데, pinning 효과가 약한 샘플이어서 skyrmion이 잘 움직인다.
- skyrmion의 random motion을 image tracking 방식으로 분석한 결과, diffusion motion임을 밝혀냈다.
- skyrmion의 motion이 random함을 이용해서, 기존에 이론적으로 제안되었던 probabilistic computing device인 skyrmion reshuffler device를 demo했다.
올해 IEEE TED에 발표한 논문의 리뷰 과정 중에 이런 질문이 있었다. ‘소자를 실제로 사용하려면 상온에서 작동해야 할 텐데, 온도에 의한 열적 효과를 고려하더라도 제안한 소자가 정상적으로 작동하는가?’ 우리의 시뮬레이션은 열적 효과를 배제(0 K을 가정)하고 있었기 때문에 이 질문은 매우 중요한 질문이었다. 실제로, 온도를 고려하면 열에너지에 의해 자화가 random한 열적 요동을 하게 되고, 이것은 skyrmion motion에도 random한 요동을 일으켜서 skyrmion이 정확한 타이밍, 원하는 위치에 도달하지 못하게 할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 자화의 크기가 큰 multilayer 형태로 샘플을 만들어 열적 요동에 더 잘 견디도록 하거나, 전류를 크게 걸어서 skyrmion motion이 완전히 flow regime (pinning의 효과보다 전류구동의 효과가 훨씬 큰 영역)에 들어가도록 하는 것이 있을 수 있다. 하지만, 이러한 방법들은 skyrmion 기반 소자의 장점 중 하나인 ‘저전력’에 배치되기 때문에, 여전히 열적 요동에 의한 thermal motion은 skyrmion 기반 소자 개발을 방해하는 골칫덩어리임에 틀림없다.
이미 single magnetic layer에 존재하는 skyrmion이 열에너지에 의해 random motion을 한다는 사실은 이론적으로, 또 실험적으로 밝혀져 있다. 자화가 열적 요동을 하면 skyrmion을 구성하는 자화 또한 요동치게 되고, 그러면 skyrmion의 크기와 모양도 조금씩 바뀌고, 이와 동시에 skyrmion의 중심 위치 또한 조금씩 움직이게 된다는 내용이다. 그러면 이런 물음이 생긴다. skyrmion이 random하게 요동치는 움직임을 수학적으로는 어떻게 기술할 수 있을까? 자연계의 어떤 또 다른 현상과 비슷할까? 그 답은 재밌게도, diffusion (확산)이다. 수면 위에 뿌려진 꽃가루가 흔들리는 것이나(Brownian motion), 방 안에 뿌린 향수 냄새가 방 전체로 퍼져 나가는 등, 어떤 입자가 열에너지에 의해 요동치며 위치가 조금씩 무작위로 바뀌는 현상을 우리는 diffusion이라고 한다. 자성체 박막에 존재하는 (준)’입자’ skyrmion 또한, 입자라는 그 명색에 걸맞게 열에너지에 의해서 무작위로 조금씩 이동하는 현상을 diffusion으로 기술할 수 있다. 조금 더 수학적으로 말하자면, 2차원 공간 상에 3차원 자화 벡터가 존재하고 자화의 열적 요동이 허용된다면, 이 시스템에 존재하는 (rigid한) skyrmion의 중심 위치의 시간에 따른 변화는 diffusion 방정식으로 기술될 수 있다는 것이다. 이번에 리뷰할 이 논문은 그런 skyrmion diffusion을 실험적으로 증명한 논문이다.
(이어서 계속될 예정입니다.)
작성 송무준
E-mail : moojune@kaist.ac.kr
참석자(ZOOM seminar): 박민규, 원운재, 박재현, 이택현, 김현규, 박지호, 이근희, 유무진, 송무준, 양지석
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0436-8