물리학자들은 빛으로 물질을 자화시킨다

MIT 물리학자들은 빛만을 사용하여 물질에 새롭고 오래 지속되는 자기 상태를 만들어냈습니다.

Nature 에 게재될 연구에서 연구자들은 테라헤르츠 레이저(초당 1조 회 이상 진동하는 광원)를 사용하여 반강자성 물질의 원자를 직접 자극했다고 보고했습니다. 레이저의 진동은 물질의 원자 사이의 자연적 진동에 맞춰져 원자 스핀의 균형을 새로운 자기 상태로 전환합니다.

이 연구 결과는 반강자성 물질을 제어하고 전환하는 새로운 방법을 제공하며, 정보 처리 및 메모리 칩 기술을 발전시키는 잠재력으로 주목을 받고 있습니다.

강자성체라고 알려진 일반적인 자석에서 원자의 스핀은 같은 방향을 가리키므로 전체가 쉽게 영향을 받고 외부 자기장의 방향으로 끌릴 수 있습니다. 반면 반강자성체는 교대로 스핀이 있는 원자로 구성되어 있으며, 각각은 이웃과 반대 방향을 가리킵니다. 이러한 위, 아래, 위, 아래 순서는 본질적으로 스핀을 취소하여 반강자성체에 자기적 당김에 영향을 받지 않는 순 제로 자화를 제공합니다.

메모리 칩이 반강자성 물질로 만들어질 수 있다면, 데이터는 도메인이라고 불리는 물질의 미세한 영역에 "쓰기"될 수 있습니다. 주어진 도메인에서 스핀 방향의 특정 구성(예: 위-아래)은 고전적인 비트 "0"을 나타내고, 다른 구성(아래-위)은 "1"을 의미합니다. 그러한 칩에 쓰여진 데이터는 외부 자기적 영향에 강할 것입니다.

이러한 이유와 다른 이유로 과학자들은 반강자성 물질이 기존의 자기 기반 저장 기술보다 더 강력한 대안이 될 수 있다고 믿습니다. 그러나 주요 장애물은 물질을 한 자기 상태에서 다른 자기 상태로 안정적으로 전환하는 방식으로 반강자성체를 제어하는 ​​방법에 있었습니다.

"반강자성 물질은 견고하고 원치 않는 스트레이 자기장의 영향을 받지 않습니다." MIT의 물리학 Donner 교수인 Nuh Gedik의 말입니다. "그러나 이러한 견고성은 양날의 검입니다. 약한 자기장에 대한 무감각성으로 인해 이러한 물질을 제어하기 어렵습니다."

MIT 팀은 신중하게 조정된 테라헤르츠 빛을 사용하여 반강자성체를 새로운 자기 상태로 제어 가능하게 전환할 수 있었습니다. 반강자성체는 자기 도메인의 안정성 덕분에 기존 장치의 일부 공간만 차지하고 에너지를 덜 사용하면서 더 많은 데이터를 저장하고 처리하는 미래의 메모리 칩에 통합될 수 있습니다.

"일반적으로, 그런 반강자성 물질은 제어하기 쉽지 않습니다." Gedik이 말했습니다. "이제 우리는 그것들을 조정하고 조정할 수 있는 손잡이를 가지고 있습니다."

게딕은 새로운 연구의 수석 저자이며, 이 연구에는 MIT 공동 저자인 바티르 일리아스, 톈추앙 뤄, 알렉산더 폰 호겐, 주취안 장, 키스 넬슨과 독일 막스 플랑크 물질 구조 및 역학 연구소, 스페인 바스크 대학교, 서울대학교, 뉴욕 플래티런 연구소의 협력 연구자들이 참여했습니다.

불균형

MIT의 게딕 그룹은 원자 간의 상호작용을 통해 이국적인 현상이 발생할 수 있는 양자 물질을 조작하는 기술을 개발하고 있습니다.

"일반적으로, 우리는 빛으로 물질을 자극하여 근본적으로 물질을 유지하는 것에 대해 더 많이 알아냅니다." Gedik이 말합니다. "예를 들어, 이 물질이 반강자성체인 이유는 무엇이고, 미시적 상호 작용을 교란하여 강자성체로 변하는 방법이 있습니까?"

연구팀은 새로운 연구에서 FePS 3를 사용했습니다. FePS 3 는 약 118 켈빈(-247도 화씨)의 임계 온도에서 반강자성 상으로 전이되는 물질입니다.

연구팀은 원자 진동을 조정하면 물질의 전환을 제어할 수 있을 것이라고 추측했습니다.

"어떤 고체에서든, 주기적으로 배열된 서로 다른 원자로 상상할 수 있고, 원자 사이에는 작은 스프링이 있습니다." 폰 호겐이 설명합니다. "한 원자를 잡아당기면 일반적으로 테라헤르츠 범위에서 발생하는 특성 주파수로 진동할 것입니다."

원자가 진동하는 방식은 스핀이 서로 상호작용하는 방식과도 관련이 있습니다. 연구팀은 포논이라고 하는 원자의 집합적 진동과 동일한 주파수로 진동하는 테라헤르츠 소스로 원자를 자극할 수 있다면, 그 효과가 원자의 스핀을 완벽하게 균형 잡힌 자기적으로 번갈아 배열에서 밀어낼 수 있을 것이라고 추론했습니다. 일단 균형이 깨지면 원자는 한 방향으로 다른 방향보다 더 큰 스핀을 가져야 하며, 본래 비자성인 물질을 유한한 자화를 가진 새로운 자기 상태로 전환하는 선호 방향을 생성합니다.

"이 아이디어는 한 번에 두 마리의 새를 잡을 수 있다는 것입니다. 원자의 테라헤르츠 진동을 자극하여 스핀과 결합시키는 것입니다."라고 Gedik은 말합니다.

흔들어서 쓰세요

이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구팀은 서울대학교의 동료들이 합성한 FePS 3 샘플을 사용했습니다 . 그들은 샘플을 진공 챔버에 넣고 118K 이하의 온도로 냉각했습니다. 그런 다음, 유기 결정을 통해 근적외선 광선을 조준하여 테라헤르츠 펄스를 생성했고, 이를 통해 빛이 테라헤르츠 주파수로 변환되었습니다. 그런 다음 이 테라헤르츠 빛을 샘플로 향하게 했습니다.

"이 테라헤르츠 펄스는 우리가 샘플에 변화를 만드는 데 사용하는 것입니다." 루오가 말합니다. "샘플에 새로운 상태를 '쓰는' 것과 같습니다."

펄스가 재료의 자기성 변화를 유발했는지 확인하기 위해, 연구팀은 또한 샘플에 반대 원형 편광을 가진 두 개의 근적외선 레이저를 조준했습니다. 테라헤르츠 펄스가 효과가 없다면, 연구자들은 전송된 적외선 레이저의 강도에 차이가 없을 것입니다.

일리아스는 "차이점을 보면 그 물질이 더 이상 원래의 반강자성체가 아니라는 것을 알 수 있고, 본질적으로 테라헤르츠 광을 사용하여 원자를 흔들어 새로운 자기 상태를 유도하고 있다는 것을 알 수 있습니다."라고 말합니다.

연구팀은 여러 차례의 실험을 거쳐 테라헤르츠 펄스가 이전에 반강자성이었던 물질을 새로운 자기 상태로 성공적으로 전환하는 것을 확인했습니다. 이 전환은 레이저가 꺼진 뒤에도 수 밀리초에 달하는 놀라울 정도로 오랜 시간 동안 지속되었습니다.

"사람들은 다른 시스템에서 이러한 빛에 의한 위상 변화를 이미 본 적이 있지만 일반적으로 이것은 피코초, 즉 1조 분의 1초 단위로 매우 짧은 시간 동안만 지속됩니다."라고 게딕은 말합니다.

과학자들은 이제 몇 밀리초 만에 임시적인 새로운 상태가 본래의 반강자성으로 다시 정착하기 전에 그 속성을 조사할 수 있는 상당한 시간적 여유를 가질 수 있습니다. 그런 다음, 반강자성체를 조정하고 차세대 메모리 저장 기술에서 사용을 최적화하기 위한 새로운 노브를 식별할 수 있습니다.

이 연구는 미국 에너지부, 재료과학 및 공학부, 기초에너지과학국, 고든 앤 베티 무어 재단의 지원을 받아 진행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241218131319.htm