College Of Engineering
서울공대 이야기

세계적 과학저널에 올해 두번째 표지논문

 

서울대 재료공학부 김상국 교수

국내 연구자가 쓴 연구논문이 1년에 두 번이나 세계적인 과학저널의 표지논문으로 선정돼 한국 과학의 위상을 크게 높였다.

서울대 재료공학부 김상국(金相國·38) 교수는 27일 “대학원생인 이기석, 최상국씨와 함께 연구한 결과가 미국 응용물리학회지인 ‘어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)’ 11월 7일자의 표지 논문으로 선정됐다”고 밝혔다. .

응용물리학 분야의 권위지인 이 저널은 매주 60~70편 정도의 엄선된 연구논문을 게재하며 그 중 단 1편만을 표지논문으로 선정하여 발표한다. 김 교수는 지난 1월 31일자에도 표지논문을 게재한 바 있어, 한 해에 두 번이나 최고 권위의 국제저널에 표지논문을 발표하는 성과를 거뒀다.

김 교수는 “이번에 발표한 논문은 전자의 흐름을 이용한 반도체 소자를 대체하는 새로운 초고속 정보전달 및 처리 소자를 개발하는 데 필요한 기초 연구 성과”라고 말했다.

김 교수는 “최근 국내 연구자의 논문이 네이처 등 세계적인 저널에 표지논문으로 소개되는 등 한국 과학의 위상이 크게 높아지고 있다”며 “이런 흐름에 일조한 것 같아 큰 영광”이라고 말했다

( 조선일보 2005-10-28 이영완기자 [ ywlee.chosun.com])


제목: (영문) Radiation of spin waves from magnetic vortex cores by their dynamic motion and annihilation processes

        (국문)   자기 소용돌이 핵의 움직임과 소멸과정에 의한 스핀 파동의 방사


<연구내용 설명>

잔잔한 호수에 작은 돌을 던져 떨어뜨리면 그 주위에 동심원의 물결(수면파)이 퍼져나가는 것을 알 수 있다. 이와 흡사하게 자성체에 에너지를 가하면 그 구성요소인 원자들이 가지고 있는 스핀들이 집단적인 동적거동을 하며 파동 형태의 스핀 파동(이하 스핀파)를 형성한다.


최근 스핀파는 그 파동 현상을 이해하기 위한  학문적 관심 뿐 만 아니라 이를 이용한 초고속 정보전달 및 정보처리 소자로써의 다양한 응용성 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 전하의 흐름을 이용하는 반도체의 논리연산소자와는 달리 스핀파 소자는 스핀파의 파동성을 이용하기 때문에 빠른 처리속도와 전자가 직접 이동하는 반도체 소자의 도선 단락 등의 기술적 한계를 배제할 수 있어 그 기대가치가 높다. 스핀파 소자를 실용화하기 위해선, 스핀파의 진행에 따른 진폭감소나 산란들을 통한 정보 유실을 방지해야하고 또한 강한 스핀파 방사(radiation) 기술을 우선적으로 확보해야한다. 또한 소자의 집적도를 높이기 위해 스핀파 도파로(waveguide)의 크기가 수십 나노크기로 제작되었을 때 스핀파의 파장이 그 이하를 가져야 하고, 빠른 정보처리 속도를 위해 수 기가 헤르츠 이상의 고주파수를 갖도록 제어할 수 있어야 한다. 


이와 관련하여 본 연구실에서는 수에서 수십 마이크론 크기의 직사각형 혹은 원형 자성박막에 형성된 자기소용돌이(magnetic vortex)의 핵을 움직여 국소 영역에서 진폭이 큰 고주파의 스핀파를 방사시키는 방법을 연구하고 고안하였다. 직사각형 형태의 자성박막을 형성하면 자기 소용돌이, 반-소용돌이 형상의 국소 자기구조가 안정한 상태로 존재하고 이 구조에 직사각형의 단축 방향으로 100 Oe의 자기장을 인가하면 스핀들이 집단적으로 동역학적 거동을 한다.  자기장에 의해 소용돌이, 반-소용돌이 핵이 움직이기 시작하면 핵 주위로 스핀파가 방사되며 시간이 357 피코초에 이르러서는 소용돌이, 반-소용돌이 핵이 서로 소멸하게 되는데 이 때 소멸이 일어나는 국소 영역에서 매우 강한 스핀파가 방사하는 것을 알 수 있다.  또한 푸리에 스펙트럼 분석과 역 푸리에 변환방법을 이용하여 발생된 스핀파의 주파수가 22~96 기가 헤르츠임을 확인하였으며 스핀들간의 상호작용 에너지 계산을 통해 이러한 고주파의 강한 스핀파의 발생 원인이 핵의 이동과 소멸 시 핵 주변에 국소적으로 집중되는 교환 상호작용에 의한 스핀토크이고, 이는 스핀(자기 쌍극자)의 방향을 가속 변화시키는 역할을 한다는 것을 밝혔다. 전하가 가속운동을 하면 전자기파가 발생하는 것처럼 스핀방향의 가속 변화가 스핀파를 방사시킨다.

 

  

Applied Physics Letters 2005년 11월 7일자 표지그림



가운데     :  가로 3 μm, 세로 0.7 μm, 두께 20nm 직사각형 형태의 Fe 박막에서 형성된 안정된 자기 소용돌이, 반-소용돌이의 스핀구조 형상. 컬러 색깔과 화살표는 박막 면에 평행한 스핀벡터의 성분을 나타내고. 수직방향은 스핀벡터의 수직성분을 나타낸다.

가운데     :  가로 3 μm, 세로 0.7 μm, 두께 20nm 직사각형 형태의 Fe 박막에서 형성된 안정된 자기 소용돌이, 반-소용돌이의 스핀구조 형상. 컬러 색깔과 화살표는 박막 면에 평행한 스핀벡터의 성분을 나타내고. 수직방향은 스핀벡터의 수직성분을 나타낸다.

오른쪽 아래:  자기 소용돌이 핵 주위에서 발생하는 스핀파 와 자기소용돌이-반소용돌이가 만나 소멸하며 발생하는 스핀파에 관한 동적거동을 보여주는 이미지.

오른쪽 아래:  자기 소용돌이 핵 주위에서 발생하는 스핀파 와 자기소용돌이-반소용돌이가 만나 소멸하며 발생하는 스핀파에 관한 동적거동을 보여주는 이미지.

왼쪽 위    :  자기 소용돌이와 반-소용돌이의 중심부(핵)이 서로 만나 소멸할 때 국소 영역에서 방사되는  강한 스핀 파동.

왼쪽 위    :  자기 소용돌이와 반-소용돌이의 중심부(핵)이 서로 만나 소멸할 때 국소 영역에서 방사되는  강한 스핀 파동.


본 연구결과는 스핀파을 이용한 정보전달 및 논리연산 소자의 핵심기술인 고주파의 강한 스핀파 발생 방법을 제시하였다는 점에 그 기술적 의의가 있으며 학문적으로는 소용돌이, 반-소용돌이의 이동과 소멸, 그리고 스핀파의 발생의 동역학적 과정과 그 원인에 대한 이해를 넓혔다는 점에서 그 의의가 있다.

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