아인슈타인과 데 하스로부터 영감을 받음: 과학자들이 적층형 자성 재료에서 특이한 초고속 움직임을 발견함

Jun 14, 2023

아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 작성2023년 8월 7일

스크램블 스핀으로 움직이는 원자 카펫. 삼황화인철 층의 원자층 전단은 광 펄스에 노출 시 전자 스핀의 스크램블링으로 인해 발생합니다. 왼쪽에 스핀을 주문했습니다. 오른쪽에 스크램블 스핀이 있습니다. 출처: Argonne National Laboratory의 이미지

최첨단 초고속 이미징 기술을 통해 적층형 재료의 자기 상태 변화와 관련된 초고속 기계적 움직임이 밝혀졌습니다. 이 흥미로운 자기 효과는 초정밀하고 빠른 모션 제어가 필요한 나노 장치에 응용될 수 있습니다.

일반적인 금속 종이 클립은 자석에 달라붙습니다. 과학자들은 이러한 철 함유 물질을 강자성체로 분류합니다. 약 100년 전, 물리학자 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 반더 드 하스(Wander de Haas)는 강자성체의 놀라운 효과를 보고했습니다. 그들은 철제 실린더를 와이어에 매달아 자기장에 노출시켰을 때 자기장의 방향이 바뀌면 회전하기 시작한다는 사실을 발견했습니다.

“아인슈타인과 드 하스의 실험은 거의 마술쇼와 같습니다.”라고 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 재료 과학 및 엑스레이 과학 부문 물리학자인 Haidan Wen이 말했습니다. ​"원통을 건드리지 않고도 회전시킬 수 있습니다."

"이 실험에서는 거시적 물체인 원통에서 기계적 반응을 이끌어내기 위해 미시적 특성인 전자 스핀을 활용합니다."

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">캘리포니아대학교 버클리캠퍼스

과학 저널 Nature에서 Argonne과 기타 미국 국립 연구소 및 대학의 연구진은 이제 "반" 강자성체에서 유사하면서도 다른 효과를 보고했습니다. 이는 초정밀 및 초고속 모션 제어가 필요한 장치에 중요한 응용 분야를 가질 수 있습니다. 한 가지 예는 최소 침습적 진단 및 수술을 위한 나노 로봇에 사용되는 것과 같은 생물 의학 응용 분야를 위한 고속 나노 모터입니다.

강자성체와 반강자성체의 차이점은 전자 스핀이라는 특성과 관련이 있습니다. 이 회전에는 방향이 있습니다. 과학자들은 위나 아래 또는 그 사이의 모든 방향을 가리킬 수 있는 화살표로 방향을 나타냅니다. 위에서 언급한 자화된 강자성체에서 철 원자의 모든 전자와 관련된 화살표는 같은 방향, 즉 위쪽을 가리킬 수 있습니다. 자기장의 반전은 전자 스핀의 방향을 반전시킵니다. 따라서 모든 화살표가 아래를 향하고 있습니다. 이 반전은 실린더의 회전으로 이어집니다.

"이 실험에서는 미시적 특성인 전자 스핀을 활용하여 거시적 물체인 원통에서 기계적 반응을 이끌어냈습니다."라고 버클리 캘리포니아 대학의 밀러 연구원인 Alfred Zong은 말했습니다.

반강자성체에서는 전자 스핀이 모두 위쪽을 향하는 대신 인접한 전자 사이에서 위쪽에서 아래쪽으로 번갈아 나타납니다. 이러한 반대 스핀은 서로 상쇄되므로 반강자성체는 강자성체처럼 자기장의 변화에 ​​반응하지 않습니다.

"우리가 스스로 물었던 질문은 전자 스핀이 아인슈타인-드 하스(Einstein-de Hass) 실험의 실린더 회전과 다르지만 정신적으로 유사한 반강자성체의 반응을 유도할 수 있는가 하는 것입니다." 원이 말했다.

이 질문에 답하기 위해 팀은 반강자성체인 삼황화철인(FePS3) 샘플을 준비했습니다. 샘플은 FePS3의 여러 층으로 구성되었으며 각 층의 두께는 원자 몇 개에 불과했습니다.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"University of Washington./p>

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT)./p>

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale devices.”/p>