자기장 없는 스핀 제어

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자기장 없는 스핀 제어

연구원들은 자기장을 가하지 않고도 스핀 전류의 분극 방향을 제어할 수 있음을 입증했으며 , 이는 에너지 효율적인 스핀트로닉스 장치를 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다 .

그래핀에서 스핀 전류는 다른 물질보다 훨씬 오래 살 수 있어 물질을 미래의 스핀트로닉스 장치에 이상적인 플랫폼으로 만듭니다. 그러나 문제가 있습니다. 그래핀의 스핀 전류를 조작하기 위해 연구자들은 재료에 자기장을 적용해야 합니다. 필요한 하드웨어는 회로에 통합하기 어렵기 때문에 그래핀 기반 스핀 장치를 축소할 수 있는 방법이 제한됩니다. 이제 스페인의 Nanoscience Cooperative Research Center(CIC NanoGUNE)의 Josep Ingla-Aynés와 동료들은 전기장만 사용하여 실온에서 그래핀 스핀 전류를 조작하는 방법을 시연했습니다[ 1 ].

팀은 이중층 그래핀 시트에 텅스텐 디셀레나이드 시트를 스탬프로 찍고 두 재료를 가열하여 함께 결합했습니다. 그런 다음 그들은 평면 내 전기장과 게이트 전압을 적용하고 그래핀에 스핀 전류를 주입하는 데 사용하는 일련의 전극으로 구조를 패턴화했습니다. 실험은 50K 및 실온에서 수행되었습니다.

두 온도 모두에서 팀은 평면 내 전기장과 게이트 전압의 크기를 변경하여 스핀 전류의 분극 방향을 전환할 수 있음을 관찰했습니다. 그들은 제어가 텅스텐 디셀레나이드 층에 있는 스핀-궤도 결합의 존재에서 비롯된다고 말합니다. 이 효과는 그래핀에 스핀 각도를 변경하기에 충분한 유효 자기장을 생성합니다.

Ingla-Aynés는 이 시연이 오랫동안 추구해 온 "Datta Das" 스핀 트랜지스터의 실온 버전을 나타낸다고 말합니다. Datta Das 스핀 트랜지스터는 스핀 전류의 분극 방향을 변경하여 전기 저항을 높음에서 낮음으로 전환할 수 있는 소자입니다. 이러한 장치는 2차원 전자 가스를 사용하여 저온에서 실현되었지만 더 높은 온도에서는 실현되지 않았습니다.

그래핀과 다른 2D 물질의 전자는 두 가지 운동량 상태 중 하나 또는 "계곡"에 있을 수 있습니다. 연구원들은 주 내에서 정보를 저장하고 처리하기 위해 이러한 계곡 상태를 제어하는 ​​데 관심이 있습니다. 그 목표를 달성하는 데 있어 한 가지 어려움은 처음에 계곡 극성 전류를 생성하는 것입니다. 이제 취리히에 있는 스위스연방공과대학(ETH)의 Carolin Gold와 그녀의 동료들은 그래핀의 이중층 시트에서 한 쌍의 전자 제트(각 계곡에 하나씩)를 분리하는 방법을 발견했습니다[ 1 ]. 이 기술은 언젠가 "valleytronic" 장치에 통합되어 전자를 계곡 상태로 분류할 수 있습니다.

일반적으로 그래핀의 밸리 상태는 구별할 수 없지만 특정 상황에서 전자 밴드 구조가 비대칭이 되거나 "삼각형으로 뒤틀려" 각 밸리에 대한 고유한 운동량 프로파일을 초래합니다. 이론가들은 이 뒤틀림이 단일 그래핀 시트를 따라 다른 방향으로 흐르는 여러 계곡 편광 제트를 생성해야 한다고 예측했습니다. 그러나 이러한 제트기를 분리하는 것은 어려운 것으로 판명되었습니다.

Gold와 그녀의 동료들은 이중층 그래핀 시트를 사용했는데, 이는 계곡 편광 제트도 보유할 것으로 예측했습니다. 이중층 위에 그들은 50nm 폭의 작은 채널로 분리된 두 개의 금속 게이트를 배치했습니다. 그들은 이중층에 전압을 가하고 구멍을 통해 흐르는 전류를 측정했습니다. 그들은 전류 측정에서 간섭 신호를 생성하는 금속 팁을 사용하여 이 전류의 경로를 매핑했습니다. 데이터는 각도로 분리된 한 쌍의 제트를 보여주었습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴, 이론적 모델에서 예상한 대로.

스핀 시스템 모델은 일반적으로 스커미온(skyrmions)이라고 하는 소용돌이 같은 스핀 구성을 자이로스코프 패턴을 따라 움직이는 준입자로 취급합니다. 그러나 현재 그러한 움직임을 설명하는 데 사용되는 방정식(Thiele의 방정식)의 예측은 스커미온 및 기타 스핀 텍스처가 어떻게 움직이는지에 대한 실험적 관찰과 일치하지 않습니다. 독일 콘스탄츠 대학의 Markus Weißenhofer와 그의 동료들은 이제 Thiele의 방정식에 마찰 항을 추가하여 이 문제를 해결합니다.

Thiele의 방정식은 1970년대에 단일 스커미온 준 입자의 운동 방정식으로 확립되었습니다. 낮은 온도와 높은 감쇠에서 전류 구동 운동과 스커미온의 브라운 운동을 모두 성공적으로 설명합니다. 그러나 방정식은 고온과 낮은 감쇠에서 실패합니다.

시뮬레이션에서 Weißenhofer와 그의 동료들은 금속 박막에서 스핀 감쇠의 영향을 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 유한한 온도에서 마그논이라고 불리는 스핀파가 나타나 영화에 이미 존재하는 스커미온의 움직임을 약화시키는 것을 발견했습니다. 이 감쇠를 설명하기 위해 Thiele의 방정식에 마찰 항을 추가하여 팀은 업데이트된 운동 방정식이 실험 결과를 성공적으로 설명했음을 발견했습니다. 새로운 항의 크기는 온도에 따라 선형적으로 증가하며 다른 형태의 감쇠 및 스커미온 크기와 무관합니다.

연구원들은 그들의 결과가 스핀 텍스처의 역학을 더 잘 예측할 수 있는 간단한 프레임워크를 제공한다고 말합니다. 이 프레임워크는 에너지 저장 장치와 같은 스핀트로닉 기술에 스카이르미온을

통합할 때 실험자들에게 유용할 수 있습니다.

50년 된 유체역학 예측 테스트

1871년에 Kelvin 경은 유체 역학에 대한 간단한 설명을 제안했습니다. 어느 방향에서나 동일하게 보이고 유체를 통과할 때 자연스럽게 회전하는 물체가 있습니까? Kelvin은 있다고 생각했고 그는 이 "등방성 나선체"를 만들기 위한 레시피를 제공했습니다. 그 후 150년 동안 이 아이디어는 교과서와 학술 출판물에 실렸지만 오늘날까지 실험적인 테스트는 보고되지 않았습니다. 이제 코네티컷 웨슬리안 대학의 Greg Voth와 그의 동료들은 3D 프린터로 만든 2cm 너비의 나선체로 아이디어를 테스트했습니다[ 1 ]. 팀은 물체가 점성 유체를 통해 중력 아래로 떨어지도록 하고 회전을 관찰하지 않았습니다.

등방성 나선을 만들기 위한 Kelvin의 제조법은 다음과 같습니다. 구를 가지고 세 개의 원을 그립니다. 하나는 적도, 하나는 경도 0°, 하나는 경도 90°입니다. 각 원을 따라 원에 대해 각각 45°로 기울어진 4개의 날개 또는 "지느러미"를 배치합니다. 모터보트 프로펠러와 유사한 이 배열은 유체와의 등방성 상호 작용을 보장하는 여러 개별 회전 대칭을 가지고 있습니다.

Voth와 그의 동료들은 유체를 통한 나선체의 움직임을 모델링하고 각 베인의 토크가 서로를 상쇄한다는 것을 첫 번째 근사치로 발견했습니다. 그러나 그들의 모델은 날개 사이의 유체역학적 상호작용이 순 토크를 발생시킬 수 있지만 이 토크는 팀이 제작한 나선체에 대해 관찰하기에는 너무 작음을 보여줍니다. 그들은 나선체의 설계를 최적화함으로써 연구자들이 순 토크를 관찰할 수 있는 지점까지 유체역학적 상호작용을 증가시킬 수 있다고 제안합니다.

"나는 물리학이 싫었다 ."는 많은 물리학자들이 파티나 비행기에서 자신을 소개한 후 듣게 되는 반응입니다. 일반적으로 이 문구 뒤에는 고등학교나 대학에서 물리학 수업 과제를 수행하면서 겪었던 부정적인 경험을 설명하는 사람이 옵니다.

물리학자로서 우리는 물리학이 정규 교육과 관련될 수 있는 허술한 경험 그 이상이라는 것을 알고 있습니다. 그렇기 때문에 우리와 다른 많은 물리학자들은 비공식 교육, 또는 "아웃리치" 또는 "공개 참여"라고 부르는 것을 선호하여 현장 외부의 사람들과 교류합니다. 공개 강연, 실험적 시연, 팟캐스트, YouTube 채널을 포함한 이러한 노력은 비물리학자들이 현장 전체가 제공할 수 있는 기쁨에서 특정 부정적인 물리학 경험을 분리하는 데 도움이 됩니다. 이러한 이니셔티브는 또한 비물리학자가 물리학자가 하는 일을 이해하게 되는 주요 방법이기도 합니다. 그러나 슬프게도 이러한 활동은 종종 이를 담당하는 부서에서 과소평가되며 COVID-19 전염병 동안 관찰된 바와 같이 완전히 사라질 위험에 처해 있습니다. 공공 참여 프로그램에 대한 지원을 늘리지 않고,

물리학자들의 대중 참여는 오랜 역사를 가지고 있습니다. 한 초기 예는 Michael Faraday의 1825년 강의입니다. (그의 연설은 영국 왕립 연구소에서 열린 최초의 "크리스마스 강연"이었습니다. 이 전통은 오늘날에도 계속되고 있습니다.) 그러나 이러한 노력은 예를 들어 애완 동물 교수 프로젝트 또는 "과외 활동" 학생 활동으로 발생하는 종종 부수적인 활동입니다. 더욱이 이러한 노력은 종종 일회성 이벤트이거나 특정 보조금의 자금 지원 기간 동안만 지속됩니다.

비교적 적은 양으로도 공개 참여 활동은 청중 구성원과 주최자 모두에게 실질적이고 의미 있는 경험을 제공할 수 있습니다. 개인적인 연결. 이러한 상호 작용은 청중이 물리학자와 직접 소통하는 유일한 방법인 경우가 많습니다. 또한, 우리 연구 에 따르면 물리학 학생들이 이러한 행사를 조직하고 촉진할 때 무엇보다도 향상된 과학 커뮤니케이션 기술, 교육 실습 기회 및 공동체 의식을 얻게 됩니다.

이러한 이점에도 불구하고 공공 참여 프로그램은 물리학 부서 내에서 핵심 활동으로 취급되지 않는 경향이 있습니다. 이 문제는 지난 1년 반 동안 특히 두드러졌습니다. 오늘 발표 한 연구에서, 우리는 COVID-19 대유행이 대학과 과학 센터에 있는 15개의 미국 기반 공공 참여 프로그램에 미친 영향을 조사했습니다. 연구된 거의 모든 프로그램이 2020년 3월 미국 COVID-19 잠금이 시작된 직후 정규 활동을 중단한 것으로 보고되었습니다. 예를 들어, "과학의 날" 행사를 주최하기 위해 지역 박물관과 제휴한 한 프로그램은 그러한 행사를 완전히 중단했습니다. 사회적 거리두기로 인해 박물관을 사용할 수 없었기 때문입니다. 슬프게도, "정상적인" 삶의 모습이 돌아왔지만 이러한 많은 프로그램의 미래는 여전히 불확실합니다. 우리가 연구한 15개 프로그램 중 9개 프로그램의 프로그램 디렉터는 기존 작업을 재개할지 의심했습니다.

그러나 우리의 연구는 몇 가지 좋은 소식을 발견했습니다. 우리가 연구한 4개의 프로그램은 팬데믹 기간 동안 번창하여 활동을 확장했습니다. 이 프로그램을 차별화하는 것은 모두 강력한 제도적 지원을 받았다는 것입니다. 이 네 가지 프로그램은 모두 대학 수준의 기관, 전용 국가 연구 보조금 또는 둘 다에서 재정적으로나 물류적으로 모두 지원을 받았고 지금도 마찬가지입니다. 결과적으로 이러한 프로그램은 티켓 수입 손실 및 공연장 폐쇄와 같은 팬데믹 기간 동안 운영되는 문제에 적응할 수 있었습니다.

우리 연구의 또 다른 결론은 COVID-19 폭풍을 극복하기 위해 연구한 공공 참여 프로그램의 능력이 지원을 유지하는 기관에 직접적으로 의존한다는 것입니다. 위기 상황에서 부서 리더는 자금을 회수하고 보다 "전통적인" 핵심 활동에 집중할 수 있습니다. 그러나 우리 데이터에 따르면 공공 참여 프로그램은 이러한 지원 없이는 위기 상황에서 단순히 생존할 수 없습니다. 해당 프로그램을 다시 시작하는 것은 매우 어렵습니다.

그렇다면 문제를 해결하기 위해 우리 모두는 무엇을 할 수 있습니까? 무엇보다도 물리학자는 비물리학자와의 관계를 핵심적인 기관 및 부서 활동으로 취급해야 합니다. 이러한 변화는 참여 노력을 위한 자금 옵션을 부서 예산에 직접 구축해야 합니다. 많은 물리학 부서는 이미 자금 지원 기관에 대한 보고서에서 참여 노력에 대한 공로를 인정하고 있으므로 이러한 노력을 강력하게 만드는 데 필요한 리소스도 제공해야 한다고 주장합니다. 부서는 또한 이러한 활동을 재임 기간 검토의 구성 요소로 만들거나 이러한 프로그램을 이끄는 직원 및 학생에게 가시적인 인정을 제공함으로써 이러한 프로그램에 교수진 및 직원의 참여를 장려해야 합니다. 이러한 조치는 "진정한" 연구 작업을 방해하는 것으로 간주하기보다는 비공식 교육 노력에 대한 참여를 정상화할 것입니다.

우리는 모두 우리가 살고 일하는 지역 사회의 구성원입니다. 우리가 현장 외부의 사람들을 위해 물리학에 대한 인식을 바꾸고 싶다면 비물리학자들과 교류하는 것의 중요성과 그러한 노력의 가치에 대한 우리 자신의 인식을 바꿔야 합니다.

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