스핀-역학적 셔틀 소자 구현 가능 규명 자성 셔틀을 응용한 스마트폰, 양자컴퓨터 등의 개발 가능성 제시 나노전기역학적 소자의 약한 외부자기장에 대한 높은 민감도 (High Sensitivity)가 '자성 셔틀'을 스핀트로닉스 (Spintronics)에 기반한 양자 기능을 연구할 수 있는 유망한 도구로 활용될 전망이다.국내 연구진이 나노 크기의 자성체 전극들 사이에 움직이는 양자점 (quantum dot shuttle)이 있을 때, 이 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장에 의해 방향이 반대로 되면서 한쪽 전극에서 반대쪽 전극으로 단일 전자를 전달시키는 스핀-역학적 셔틀 소자 구현이 가능함을 이론적으로 규명함으로써 자성 셔틀 현상을 새로운 양자기능 연구의 도구로 만들어 줄 것으로 기대된다.스핀-역학적 셔틀 소자 (spintro-mechanical shuttle device)란 나노 간격의 강자성 전극 사이에 위치해 움직이고 있는 양자점의 스핀 방향이 외부 자기장에 의해 반대로 바뀌면서, 마치 셔틀 버스처럼 한쪽 강자성 전극에서 방출된 단일 전자를 이 움직이는 양자점에 담아 다른 쪽 강자성 전극으로 실어 나르는 현상을 말한다.연구진은 움직이는 양자점을 사이에 둔 자성체 나노 전극에 외부 자기장을 가했을 때 양자점의 스핀 방향이 뒤집히면서 한쪽 강자성전극의 단일 전자를 다른 쪽 강자성 전극으로 실어 나르는 새로운 스핀-역학적 (spintro-mechanical) 양자 소자의 가능성을 규명했다.지금까지 보고된 나노역학적-단일전자트랜지스터 (nanoelectromechanical-single electron transistor: NEM-SET)는 양쪽 전극 간에 가해진 전기장 에너지에 의해 한쪽 전극에서 튀어 나온 전자의 전기적 에너지가, 가운데 위치해 움직이고 있는 양자점의 진동 에너지로 전달됨으로써 전자가 반대쪽 전극으로 전달되는 전기역학적 소자임에 반해 스핀-역학적 셔틀 소자 (spintro-mechanical shuttle device)는 가운데 움직이는 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장과 상호작용을 함으로써 강자성 전극간의 단일 전자 이동을 가능하게 하는 자성 양자 소자다.서울대 박영우 교수 연구진과 스웨덴 예테보리 대학의 매츠 죤슨 교수(전 노벨 물리학상 심사위원 및 위원장 역임) 연구진이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받아 수행됐고, 연구결과는 미국물리학회에서 발간하는 저명한 과학 전문지인 “피지칼리뷰레터스 (Physical Review Letters)” 3월 21일자 온라인판에 게재됐다.박영우 교수는 “이번 연구결과는 새로운 자성 양자 소자 개발 가능성을 제시한 것으로서, 현재 스마트폰 등에 사용되고 있는 금속 릴레이 스위치를 가벼운 탄소나노튜브나 그래핀을 사용한 전기역학적 소자로 대체할 수 있고(사전연구, 탄소나노튜브와 전기역학 시스템 기반 신개념 메모리 소자 개발, ‘11.3월 BBC News 등 관련 성과 보도), 더 나아가 이번에 본 연구에서 이론적으로 규명한 자성 셔틀 소자로 대체함으로써 획기적으로 새로운 기능을 갖춘 세계 최초의 자성 스마트폰 개발이나, 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있다”라고 밝혔다.

스핀-역학적 셔틀 소자 구현 가능 규명

자성 셔틀을 응용한 스마트폰, 양자컴퓨터 등의 개발 가능성 제시

기사입력 2014-03-24 16:33:54

논문에 논의된 나노자성 소자의 개요

[산업일보]
나노전기역학적 소자의 약한 외부자기장에 대한 높은 민감도 (High Sensitivity)가 '자성 셔틀'을 스핀트로닉스 (Spintronics)에 기반한 양자 기능을 연구할 수 있는 유망한 도구로 활용될 전망이다.

국내 연구진이 나노 크기의 자성체 전극들 사이에 움직이는 양자점 (quantum dot shuttle)이 있을 때, 이 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장에 의해 방향이 반대로 되면서 한쪽 전극에서 반대쪽 전극으로 단일 전자를 전달시키는 스핀-역학적 셔틀 소자 구현이 가능함을 이론적으로 규명함으로써 자성 셔틀 현상을 새로운 양자기능 연구의 도구로 만들어 줄 것으로 기대된다.

스핀-역학적 셔틀 소자 (spintro-mechanical shuttle device)란 나노 간격의 강자성 전극 사이에 위치해 움직이고 있는 양자점의 스핀 방향이 외부 자기장에 의해 반대로 바뀌면서, 마치 셔틀 버스처럼 한쪽 강자성 전극에서 방출된 단일 전자를 이 움직이는 양자점에 담아 다른 쪽 강자성 전극으로 실어 나르는 현상을 말한다.

연구진은 움직이는 양자점을 사이에 둔 자성체 나노 전극에 외부 자기장을 가했을 때 양자점의 스핀 방향이 뒤집히면서 한쪽 강자성전극의 단일 전자를 다른 쪽 강자성 전극으로 실어 나르는 새로운 스핀-역학적 (spintro-mechanical) 양자 소자의 가능성을 규명했다.

지금까지 보고된 나노역학적-단일전자트랜지스터 (nanoelectromechanical-single electron transistor: NEM-SET)는 양쪽 전극 간에 가해진 전기장 에너지에 의해 한쪽 전극에서 튀어 나온 전자의 전기적 에너지가, 가운데 위치해 움직이고 있는 양자점의 진동 에너지로 전달됨으로써 전자가 반대쪽 전극으로 전달되는 전기역학적 소자임에 반해 스핀-역학적 셔틀 소자 (spintro-mechanical shuttle device)는 가운데 움직이는 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장과 상호작용을 함으로써 강자성 전극간의 단일 전자 이동을 가능하게 하는 자성 양자 소자다.

서울대 박영우 교수 연구진과 스웨덴 예테보리 대학의 매츠 죤슨 교수(전 노벨 물리학상 심사위원 및 위원장 역임) 연구진이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받아 수행됐고, 연구결과는 미국물리학회에서 발간하는 저명한 과학 전문지인 “피지칼리뷰레터스 (Physical Review Letters)” 3월 21일자 온라인판에 게재됐다.

박영우 교수는 “이번 연구결과는 새로운 자성 양자 소자 개발 가능성을 제시한 것으로서, 현재 스마트폰 등에 사용되고 있는 금속 릴레이 스위치를 가벼운 탄소나노튜브나 그래핀을 사용한 전기역학적 소자로 대체할 수 있고(사전연구, 탄소나노튜브와 전기역학 시스템 기반 신개념 메모리 소자 개발, ‘11.3월 BBC News 등 관련 성과 보도), 더 나아가 이번에 본 연구에서 이론적으로 규명한 자성 셔틀 소자로 대체함으로써 획기적으로 새로운 기능을 갖춘 세계 최초의 자성 스마트폰 개발이나, 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있다”라고 밝혔다.