| 스커미온 재료 연구의 새로운 진전 | ||
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 MnSi, FeCe 등과 같이 비중심 대칭 입방구조(cubic structure)를 보유한 금속 나선형 자석은 스핀, 궤도, 격자 등 다양한 자유도 관련 결합이 동시에 존재하기에 풍부한 재료특성을 나타내며, 금속 자성 재료 분야의 연구 이슈로 되고 있다. 2009년, 과학자들은 비중심 대칭 입방구조를 가진 금속 나선 자성 재료에서 토폴로지가 안정적이고 입자 특성을 보유한 자기구조, 즉 스커미온(skyrmion)을 발견하였다. 스커미온은 크기가 작고 안정적이고 조절하기 쉬운 등 특징을 갖고 있고 잠재적인 응용가치를 가지고 있으며 미래 고밀도, 고속도, 저 에너지 소비의 자기기억장치(Magnetic storage device)의 구축에 이용될 전망이다. 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 강자기장과학센터 두하이펑(杜海峰) 박사는 나선 자성체 나노디스크 중 S상의 안정성 및 자기장에서 동력학적 거동을 연구하였으며, 이론적으로 새로운 ‘표적 S상태’의 자기 구조 및 그 구조의 생성은 자기장이 필요없는 자발상태의 자기성기저상태【EPL, 101, 37001(2013); PRB, 87, 014401(2013)】라고 예측하였다. 잇따라 MnSi 나노라인에서 단일 스커미온의 생성과 인멸할 때의 전기탐측을 구현하여 자기 저항의 불연속 점프 단계【Nano Lett., 14, 2026(2014)， Nature Commun., 6, 7637(2015)】를 관찰하였는데 이는 단일 스커미온 양자 소자의 개발에 중요한 실험 근거를 제공하였다. 동시에 밴드 중 단일 스커미온 사슬의 직접적 실험을 통하여 스커미온 가장자리 핵형성과 안정적 메커니즘을 발견하였으며 스커미온 상의 자기장-온도와 온도-크기의 관계도【Nature Commun., 6, 8506(2015)】를 최초로 제안하였다. 최근, 미국뉴햄프셔(Newhampshire)대학교 짱쟈둥(藏佳棟) 박사와 연구팀은 M2Mo3N 샘플을 성공적으로 합성·디자인하였으며, 이 재료에 자기 스커미온 상이 존재한다는 예측도 검증하였다(그림1). 실험 결과, 해당 자기 스커미온 재료의 퀴리온도(Curie temperature)는 액체 질소의 그 이상 온도에 도달할 수 있으며, 주요 특징은 M사이트에 자성 또는 중금속 원소를 도핑시켜도 결정체의 구조가 변화되지 않는다. 따라서 도핑효과를 이용하여 그 자기학 성능을 조절할 수 있다. 관련 실험 결과는 Emergence of skyrmions from rich parent phases in the molybdenum nitrides의 주제로 Physical Review B (Rapid Communications)에 온라인 발표되었다. 연구팀은 또 푸단(復旦)대학교 처런차오(車仁超) 연구팀과 협력하여 고대칭의 나노디스크 중 자기 스커미온 동력학적 거동을 연구하였으며, 로렌츠 전자현미경을 이용하여 전기에서 이론적으로 예측한 ‘클러스터 상태’를 직접 관찰하였다. 또한, 온도 유도에 의한 스커미온 ‘클러스터 상태’ 사이 특수한 동력학 변환 과정을 발견하였다(그림2). 관련 성과는 Direct imaging of magnetic field-driven transitions ofskyrmion cluster states in FeGe nanodisks의 주제로 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America’에 발표되었다. 정보출처 : http://news.xinhuanet.com/science/2016-04/11/c_135268430.htm |
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