과학자들은 스핀 전류에 의해 구동되는 비공선형 반강자성체에서 새로운 홀 효과를 발견하여 보다 효율적이고 탄력적인 스핀트로닉 장치에 대한 경로를 제공합니다.

콜로라도 주립 대학의 대학원생 루크 워나트(Luke Warnatt)와 부교수 후아 첸(Hua Chen)이 이끄는 팀은 보다 에너지 효율적인 전자 장치로 이어질 수 있는 이전에 알려지지 않은 홀 효과를 발견했습니다.

피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표된 그들의 연구는 존스 홉킨스 대학의 대학원생 바스티안 프라데나스(Bastián Pradenas)와 올렉 체르니쇼프(Oleg Tchernyshyov) 교수와 공동으로 수행되었다. 연구원들은 "홀 매스"로 알려진 비공선형 반강자성체로 알려진 복잡한 자성 재료 부류에서 새로운 특성의 증거를 발견했습니다.

존스 홉킨스 대학의 에드윈 홀(Edwin Hall)이 1879년에 발견한 전통적인 홀 효과(Hall effect)는 외부 자기장에 노출될 때 전류가 어떻게 편향되어 측정 가능한 전압이 발생하는지를 설명합니다. 이 효과는 자동차 속도 센서 및 스마트폰 동작 감지기와 같은 기술에서 중요한 역할을 합니다.

그러나 콜로라도 주립 대학의 연구에서는 전자의 스핀(각운동량의 작은 고유 형태)이 전하 대신 중심 무대를 차지합니다. 비공선형 반강자성체는 우리에게 익숙한 스핀 병렬 또는 반병렬 자석과 달리 다른 방향으로 스핀을 갖지만 합계는 여전히 제로 순 자화입니다. 이 독특한 스핀 텍스처는 스핀 전류가 전하뿐만 아니라 직각으로 흐를 수 있는 홀 효과에 새로운 차원을 제공합니다.

스핀 전류와 홀 질량의 역할

"한 스핀 전류를 한 방향으로 밀고 다른 스핀 전류를 다른 방향으로 밀어낸다고 상상해 보십시오"라고 Warner는 설명했습니다. "이것이 바로 홀 효과의 특징입니다." "홀 질량"에 의해 제어되는 이 새로운 효과가 비공선형 반강자성체에서만 발생하는 이유는 스핀 방향을 설명할 수 있는 3개의 자유도를 갖기 때문입니다.

이러한 추가적인 복잡성으로 인해 스핀파의 세 가지 분기(스핀의 집합적 진동)가 발생하며, 그 중 두 개는 구동력의 작용에 따라 측면으로 자연스럽게 흐릅니다.

실험적으로 연구자들은 기존 강자성체의 스핀파를 비공선형 반강자성체에 주입하고 가장자리를 따라 스핀 축적을 감지하거나 중성자 또는 X선과 같은 산란 기술을 사용하여 저에너지 스핀 스펙트럼을 추적하여 홀 질량을 측정할 수 있습니다.

스핀트로닉스 및 미래 기술에 대한 시사점

스핀 전류는 전류보다 훨씬 적은 열을 발생시키기 때문에 이를 활용하면 현대 전자 제품에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 이러한 전망은 에너지 효율이 높고 외부 자기장에 의한 데이터 파괴에 저항력이 있는 자기 기반 스토리지(MRAM, magnetoresistive random access memory)와 같은 장치를 만드는 데 전념하는 "스핀트로닉스(spintronics)"라는 빠르게 성장하는 분야의 토대를 마련했습니다.

전통적인 자성 재료에서 표유 자기장은 때때로 저장된 정보를 파괴합니다. 대조적으로, 비공선형 반강자성체는 이러한 간섭에 대한 영향이 훨씬 적기 때문에 데이터 저장 및 처리 측면에서 더 안전합니다. 결론적으로, 이 새로운 홀 효과 및 관련 홀 질량의 발견은 응집 물질 물리학에 대한 흥미로운 방향을 열어주고 차세대 스핀 구동 기술의 개발을 안내할 수 있습니다.