양자 홀 강자성체에서의 전기적인 들뜸을 이용한 스핀파 발진 및 수신 실험
현재 전자산업은 전류를 통한 정보 전달, 저장 방식을 사용하고 있지만, 전류는 열적인 에너지 소모가 많으므로 대체 기술에 대한 연구가 상당히 진척되었다. 스핀파는 전류가 아닌 전자가 가진 고유한 각운동량 양자인 스핀의 떨림으로 정보를 전달할 수 있기 때문에 열적인 손실이 없어 가까운 미래 기술로 많은 각광을 받고 있다. 그것의 일환으로 스핀파를 CPW (Coplanar Waveguide)를 이용하여 발진하는 고전적인 방법이 아닌 양자 홀 상태의 스핀 뒤집힘 현상으로 스핀파를 발진하고 수신할 수 있다는 새로운 연구가 발표되었다.
단일 원자층의 그래핀에 강한 자기장(4T~7T)과 전기장을 통하여 아주 극저온(20mK)에서 스핀 각운동량이 특정 결정 방향에 따라 고정된 값을 가지는 양자 홀 모서리(edge) 상태를 만들 수 있다. 이렇게 생성된 양자 홀 모서리 상태 그래핀의 양단에 전압을 인가하여 양자화된 홀 전류를 생성하고, 동시에 백게이트를 통해 전극 바로 아래 다른 양자 홀 컨덕턴스 상태를 만들어 서로 다른 양자 상태가 공존하는 물질을 만들 수 있다. 그 후 그래핀의 스핀들을 세우려는 제만 에너지보다 더 큰 전위를 인가하면 내부의 존재하던 홀 상태와 모서리에 존재하던 홀 상태가 만나면서 스핀들을 뒤집고, 주변으로 에너지를 방출하는데 이것이 스핀파로 방출된다는 메커니즘이다.
또한 이것의 역과정으로 스핀파들을 검출할 수 있다. 스핀파들은 그래핀의 내부에 전파되어 사방으로 흩어지는데, 각 모서리 상태와 다른 양자 홀 컨덕턴스를 지니는 벌크 상태가 만나는 경계에서 스핀파의 양자인 마그논을 흡수하고 전자들을 방출한다. 이 과정에서 전체 모서리 상태의 컨덕턴스가 살짝 변화하여 신호로 잡히게 되고, 이것으로 스핀파를 검출할 수 있다.
이론적으로 예측되었고, 실험적으로 검증된 이 보고는 기존의 스핀파 송수신과 다소 차이가 있으며, 스핀파의 양자인 마그논의 검출과도 큰 상관관계가 있는 것으로 보인다. 미래에 스핀파를 이용한 기술이 등장한다면 스핀파의 양자 단위까지 제어할 수 있는 기술개발에 많은 정보를 제공해 줄 것이다.
작성 유무진
E-mail : dbanwls@kaist.ac.kr
참석자: 박재현, 강준호, 이택현, 김현규, 박지호, 이근희, 송무준, 양지석, 고산