초고속 자기 제어의 새로운 물결

물질의 구조와 역학을 위한 막스 플랑크 연구소(MPSD)의 연구원들은 재료의 초고속 자기성을 연구하는 혁신적인 방법을 개발했습니다. 그들은 피코초 단위로 자기장이 켜지는 자기장 단계의 생성과 적용을 보여주었습니다.

자기장은 재료의 자화를 제어하는 ​​데 기본이 됩니다. 정적이거나 느리게 변하는 조건에서 재료의 자화는 나침반 바늘처럼 외부 자기장과 일치합니다. 그러나 자기장이 초고속 시간 척도에서 변할 때 완전히 새로운 자화 역학이 나타납니다.

즉, 재료의 응답 시간보다 빠릅니다. 이러한 빠른 과도 현상은 물질의 비평형 상태에 대한 기초 연구와 차세대 자기 메모리의 잠재적 응용 분야에서 큰 관심을 끌고 있으며, 여기서는 더 빠른 쓰기 속도가 중요합니다.

이 과제를 해결하기 위해 연구팀은 초고속 단극성 자기장 단계, 즉 피코초 규모의 상승과 초나노초의 붕괴 시간을 가진 갑작스러운 자기 변화를 생성할 수 있는 새로운 초전도 장치를 설계했습니다. "저희의 목표는 모든 자기 샘플을 안정적인 자기 상태 사이에서 전환할 수 있는 보편적인 초고속 자극을 만드는 것입니다." 수석 저자인 Giovanni De Vecchi가 말했습니다. "이 획기적인 발전은 기초 과학과 기술 모두에서 발전을 촉진할 수 있습니다."

초고속 자기 계단을 위한 초전도체 활용

안드레아 카발레리가 이끄는 팀은 외부 자기장에 노출된 초전도 YBa₂Cu₃O₇ 얇은 디스크에서 초전류를 빠르게 켄칭하여 이 업적을 달성했습니다. 초전류는 초전도체에서 자기장을 방출하기 위해 자연스럽게 형성됩니다. 공동 저자인 그레고르 조츠는 "초단 레이저 펄스를 사용하여 이러한 전류를 갑자기 방해함으로써 약 1피코초(1조분의 1초)의 상승 시간을 가진 초고속 자기장 단계를 생성할 수 있었습니다."라고 말합니다.

"이러한 자기적 과도 현상을 실시간으로 추적하는 방법을 고안하는 것은 큰 과제였습니다." 공동 저자인 미셸 부지가 설명합니다. 연구자들은 이를 달성하기 위해 초전도 샘플 근처에 관찰자 수정을 배치했습니다. 수정의 광학적 특성은 국소 자기장에 반응하여 변합니다.

이 효과를 통해 팀은 펨토초 레이저 펄스의 편광 회전을 분석하여 자기장 진화를 추적할 수 있습니다. 공동 저자인 세바스찬 파바는 "이러한 접근 방식으로 우리는 피코초 미만의 분해능과 전례 없는 감도를 달성했습니다."라고 덧붙였습니다.

초고속 자기 스위칭을 향해

현재의 자기적 단계는 아직 완전한 자화 스위칭을 달성하지 못했지만, 연구자들은 장치 형상을 최적화하면 자기장 과도 현상의 진폭과 속도를 향상시킬 수 있다고 믿습니다. "적절한 개선을 통해 위상 전이 제어에서 자기 순서 매개변수의 완전한 스위칭에 이르기까지 다양한 응용 분야를 구상합니다."라고 Andrea Cavalleri는 말합니다.

Deutsche Forschungsgemeinschaft는 Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter를 통해 이 연구를 지원했습니다. MPSD는 DESY와 함부르크 대학과의 합작 기업인 Center for Free-Electron Laser Science(CFEL)의 회원입니다. 이 연구는 Radboud 대학의 교수인 Alexey Kimel과 협력하여 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250402122611.htm