.Spintronics Breakthrough – Scientists Confirm a Previously Undetected Physics Phenomenon
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.Spintronics Breakthrough – Scientists Confirm a Previously Undetected Physics Phenomenon
스핀트로닉스의 혁신 - 과학자들이 이전에 감지하지 못한 물리학 현상을 확인하다
최근 연구에서는 미래 컴퓨터 장치의 데이터 저장을 크게 향상시킬 수 있는 현상인 "궤도 홀 효과"를 확인했습니다. 전자의 궤도 운동에 의한 전기 생성과 관련된 이 발견은 스핀트로닉스 분야에서 잠재적인 발전을 제공하여 보다 효율적이고 빠르며 신뢰할 수 있는 자성 재료를 만들 수 있습니다. 신용: SciTechDaily.com
연구에서는 스핀트로닉스를 향상시켜 미래 기술 발전의 길을 닦는 새로운 접근 방식을 제안합니다. 연구자들은 차세대 컴퓨터 장치의 데이터 저장을 개선하는 데 사용할 수 있는 이전에 감지되지 않은 물리적 현상을 확인하기 위해 새로운 기술을 사용했습니다. 고급 컴퓨터와 위성에 사용되는 스핀트로닉 메모리는 데이터 저장 및 검색을 위해 전자의 고유 각운동량에 의해 생성된 자기 상태를 활용합니다.
-물리적 움직임에 따라 전자의 스핀은 자기 전류를 생성합니다. "스핀 홀 효과"로 알려진 이는 저전력 전자 장치부터 기본 양자 역학에 이르기까지 다양한 분야에서 자성 재료에 대한 핵심 응용 분야를 가지고 있습니다. 최근에 과학자들은 전자가 두 번째 종류의 운동, 즉 지구가 태양 주위를 공전하는 방식과 유사한 궤도 각운동량을 통해 전기를 생성할 수도 있다는 사실을 발견했습니다.
이는 '궤도 홀 효과'로 알려져 있다고 이번 연구의 공동 저자이자 오하이오 주립 대학의 물리학 교수인 Roland Kawakami는 말했습니다. 궤도 홀 효과를 관찰하는 방법 이론가들은 가벼운 전이 금속(스핀 홀 전류가 약한 물질)을 사용하면 궤도 홀 효과에 의해 생성된 자기 전류가 그 옆으로 흐르는 것을 더 쉽게 발견할 수 있을 것이라고 예측했습니다. 지금까지 이러한 것을 직접적으로 탐지하는 것은 어려운 일이었지만 물리학 대학원생 Igor Lyalin이 주도한 연구는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다. 효과를 관찰하는 방법을 보여주었습니다.
-Kawakami는 "지난 수십 년 동안 다양한 홀 효과가 지속적으로 발견되었습니다."라고 말했습니다. “그러나 이러한 궤도 전류에 대한 아이디어는 정말 새로운 것입니다.
문제는 일반적인 중금속의 스핀 전류와 섞여 있어 구별하기 어렵다는 점이다.” 대신 Kawakami 팀은 궤도 각 운동량의 잠재적 축적을 위해 금속 원자를 조사하기 위해 경금속 크롬의 다양한 박막에 편광(이 경우 레이저)을 반사함으로써 궤도 홀 효과를 시연했습니다.
거의 1년에 걸친 고된 측정 끝에 연구자들은 필름의 한쪽 끝에 모인 전자가 강한 궤도 홀 효과 특성을 나타냄을 보여주는 명확한 자기-광학 신호를 감지할 수 있었습니다. 미래 스핀트로닉스 응용 분야에 대한 시사점 이러한 성공적인 감지는 미래의 스핀트로닉스 응용 분야에 큰 결과를 가져올 수 있다고 Kawakami는 말했습니다.
“스핀트로닉스의 개념은 약 25년 정도 존재해 왔으며 다양한 메모리 응용 분야에 정말 훌륭했지만 이제 사람들은 더 멀리 나아가려고 노력하고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. "이제 현장의 가장 큰 목표 중 하나는 소비되는 에너지의 양을 줄이는 것입니다. 왜냐하면 그것이 성능 향상을 제한하는 요소이기 때문입니다." 미래의 자성 재료가 제대로 작동하는 데 필요한 총 에너지 양을 줄이면 잠재적으로 전력 소비를 낮추고 속도를 높이며 신뢰성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기술 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 스핀 전류 대신 궤도 전류를 활용하면 장기적으로 시간과 비용을 모두 절약할 수 있다고 Kawakami는 말했습니다.
이번 연구가 다른 종류의 금속에서 이러한 이상한 물리학 현상이 어떻게 발생하는지에 대해 더 많이 알 수 있는 방법을 열어준다는 점에 주목하면서 연구원들은 스핀 홀 효과와 궤도 홀 효과 사이의 복잡한 연관성을 계속해서 조사하고 싶다고 말했습니다.
참고 자료: Igor Lyalin, Sanaz Alikhah, Marco Berritta, Peter M. Oppener 및 Roland K. Kawakami의 '크롬의 궤도 홀 효과에 대한 자기 광학 감지', 2023년 10월 11일, 물리적 검토 서신. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.156702 공동 저자는 웁살라 대학교의 Sanaz Alikhah와 Peter M. Oppener, 웁살라 대학교와 엑서터 대학교의 Marco Berritta였습니다. 이 연구는 국립과학재단, 스웨덴 연구위원회, 스웨덴 국립 컴퓨팅 인프라, K. 및 A. Wallenberg 재단의 지원을 받았습니다.
참고1.
.지구는 지금까지 태양 둘레를 몇 번 공전했을까?
https://amp.seoul.co.kr/nownews/20231219601004?fbclid=IwAR2a4pGPXp-RkurKOIcgigGbVYTaDhy8rXOiwD7nkHbmHKyK1l-O4pBMheA
.구리선보다 50배 빠르고 가격은 광섬유 3분의 1...차세대 케이블로 ‘데이터혁명’ 도전한 과학자
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메모 2312201046 나의 사고실험 qpeoms 스토리텔링
최근에 과학자들은 전자가 두 번째 종류의 운동, 즉 지구가 태양 주위를 공전하는 방식과 유사한 궤도 각운동량을 통해 전기를 생성할 수도 있다는 사실을 발견했다. 샘플링 oms.vix.a(n!)은 궤도 홀 효과를 가진 게 분명하다. 회전 속도는 임의적이다. 정지이거나 무한 순간속도를 가진다. 물론 빛의 속도도 포함한다. 허허.
지구의 나이가 46억년이면 지구의 공전수는 45억번이다. 앞으로 45억번 더 돌면 지구종말이 온다고들 한다. 허허. 태양이 부풀어져 더이상 궤도운동 공전도 없고 궤도홀 효과도 없다. 허허.
더 나아가 도파관 원리에 의한 전파가 부도체 진공에서도 작동될 수도 있다. 이는 엄청난 데이터와 신호를 보낼 수 있는 궤도 경로효과이다. oms.vix.a(n!).universe는 우주의 정보가 바로 궤도홀 도파관 원리에 의하여 제임스웹의 중저자외선의 심우주 관찰도 가능케한 것은 바로 시공간을 왜곡한 중력렌즈가 궤도홀 효과와 도파관원리를 상대성이론에서 실현 시켰기 때문이여. 허허.
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.How many times has the Earth orbited the sun so far?
지구는 지금까지 태양 둘레를 몇 번 공전했을까?
지구 표면에 서 있으면 지구가 초속 30km, 시속 10만7800km 이상의 속도로 태양 주위를 맹렬히 공전하고 있다는 사실을 체감하기 힘들다. 뿐더러 우리 별 태양 둘레를 지구와 비슷한 속도로 돌고 있는 다른 7개의 행성이 있다는 사실이나, 지구를 포함한 8개 행성이 모두 수십억 년 동안 끊임없이 태양 둘레를 돌고 있다는 사실을 떠올리기가 쉽지 않다.
하지만 각 행성이 태양 주위를 얼마나 오래 여행하고 있는지 알아낼 수 있다면, 이는 정말 우리 마음을 충분히 사로잡을 수 있는 흥미로운 사실임을 실감할 수 있을 것이다. 이것은 언뜻 계산하기 까다로울 듯지만, 생각 외로 아주 간단한 수학일 뿐이다. 행성의 궤도는 수십억 년 전 그들이 탄생이 이후부터 지금까지 크게 변하지 않았기 때문이다. 태양계는 약 46억 년 전, 이전의 어떤 거대한 항성이 폭발 뒤에 남겨진 먼지 구름, 곧 성운 속에서 형성되기 시작했다.
천문학자들이 태양계 성운이라 이름 붙인 그 성운의 중심에서 태양이 탄생했다. 그리고 약 45억 9000만 년 전, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 거대한 행성들이 탄생했다. 행성협회(The Planetary Society)에 따르면, 약 45억 년 전에 더 작고 암석으로 이루어진 수성, 금성, 지구, 화성 행성이 형성되었다. 그러나 행성들이 탄생했을 때 태양 주위의 궤도는 오늘날의 궤도(특히 거대 행성의 궤도)와 같지 않았다.
최초의 행성이 형성된 후 약 1억 년 동안 그들 사이에는 ‘역학적 불안정’이 있었고, 이로 인해 큰 천체들 사이에 중력 줄다리기가 일어나 나머지 외태양계의 행성 물질이 생겨났다.
태양계 행성들. 그래픽 이미지(123rf) ▲ 태양계 행성들. 그래픽 이미지(123rf) 프랑스 보르도 천체물리학 연구소 천문학자이자 행성 전문가인 션 레이먼드는 “바로 이 물질들이 새로운 원시 행성을 생성했으며, 그것들이 서서히 제자리를 잡아감으로써 태양계 전체 그림이 완성되었고, 그후로 행성들은 크게 변하지 않은 가운데 일관되고 안정적인 궤도에 안착했다”고 라이브 사이언스(Live Science)와의 인터뷰를 통해 설명했다.
그는 “태양계 수명의 98~99% 동안 행성의 궤도는 매우 안정적이었다”며 “그 결과 행성의 현재 궤도 역학을 사용하여 태양 주위를 얼마나 많이 여행했는지 매우 정확하게 계산해낼 수 있다”고 덧붙였다. 지구의 예를 들어보면, 우리 행성은 태양을 공전하는 데 1년이 걸리며, 45억 년 동안 존재했으니까 대략 45억 번 정도 태양 둘레를 돌았다는 계산이 나온다. 그러나 궤도를 돈 총 횟수는 다른 행성들에 비해 크게 다르다. 그 이유는 다른 행성들의 공전 주기가 지구보다 짧거나 길기 때문이다. 태양에 가장 가까운 행성인 수성은 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 고작 88일(지구 1년 365.25일 기준으로 약 0.24년)밖에 걸리지 않는다.
따라서 수성은 지난 45억 년 동안 약 187억 회의 태양 궤도를 완성했다. 그러나 태양에서 가장 먼 행성인 해왕성은 궤도를 완료하는 데 약 60,190일(또는 164.7년)이 걸린다. 이는 해왕성이 존재한 45억 9000만 년 동안 태양 주위를 약 2,790만 번 돌았다는 것을 의미한다. 이는 수성이 해왕성보다 태양 주위를 670배 더 많이 공전했다는 뜻이다.
간추리면, 태양계 여덟 행성의 나이는 약 46억 년으로 비슷하지만, 그 공전 주기는 수성의 88일부터 가장 바깥 행성인 해왕성의 60,759일로 아주 다양하며, 따라서 그 궤도 횟수도 수성 187억 회, 금성 73억 회, 화성 24억 회, 목성 3억 8700만 회, 토성 1억 5600만 회, 천왕성 5,500만 회, 해왕성 3,800만 회 등이다. 이것은 엄청난 숫자처럼 들리지만, 대부분의 행성은 남은 수명 동안 그 2배에 달하는 궤도 횟수를 기록할 것으로 예측된다. 약 45억 년 후 태양은 부풀어올라 지구 궤도에 도달하며, 적색 왜성으로 변해 수성, 금성, 지구를 집어삼킬 것이다. 그 밖의 다른 행성들은 불타지 않으면 한동안 살아남을 수 있겠지만 궤도는 크게 바뀔 가능성이 높다.
.50 times faster than copper wire and one-third the price of optical fiber... Scientist who challenged the ‘data revolution’ with next-generation cable
구리선보다 50배 빠르고 가격은 광섬유 3분의 1...차세대 케이블로 ‘데이터혁명’ 도전한 과학자
[과학의 최전선] 배현민 KAIST 교수 개발한 차세대 케이블 ‘E-튜브’ 빠른 전송 속도에서 많은 데이터 양 보내 美 몰렉스, E-튜브 양산…아마존 데이터센터에 적용 매출 1000억원 달성 전망…“활용 분야 넓힐 것”
입력 2023.12.18 16:11
배현민 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 교수가 이달 7일 대전 KAIST 본원에서 조선비즈와 인터뷰하고 있다./송복규 기자 배현민 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 교수가 이달 7일 대전 KAIST 본원에서 조선비즈와 인터뷰하고 있다./송복규 기자 농담 삼아 얘기하지만, 신은 인류에게 저주파를 흘리라고 구리선을 줬습니다.
고주파를 보내는 건 신의 의도가 아니에요. 배현민 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 교수, E-튜브 발명자. 데이터는 정보화 사회가 도래한 뒤 모든 산업의 근간이 됐다. 오픈AI의 인공지능(AI) 챗봇 챗GPT(ChatGPT) 이후 급속히 발전하는 인공지능(AI)과 인류가 가려는 우주까지 모든 산업은 데이터를 더 빨리, 더 많이 보내는 방법을 고민하고 있다. 그리고 이 많은 양의 데이터를 보낼 때 우리가 선택할 수 있는 최선은 유선 케이블이다.
유선 케이블은 구리로 만든 ‘동축 케이블’과 빛을 신호로 하는 ‘광케이블’ 대표적이다. 하지만 전도체인 구리선은 신호가 고주파로 갈수록 전기장과 자기장이 강해지고, 저항이 높아지는 이른바 ‘표피효과(Skin Effect)’로 전송 효율이 줄어든다. 광케이블은 부도체로 만들어져 케이블 내부에서 빛을 반사하며 전송하기 때문에 손실량은 적지만, 모든 구리선을 대체하기엔 가격이 비싸다.
지난 7일 대전 유성 한국과학기술원(KAIST)에서 만난 배현민 KAIST 전기 및 전자공학부 교수도 데이터 전송의 한계에 부딪힌 과학자 중 한 명이다. 그러던 중 배 교수의 눈에 들어온 게 백화점에 있는 분수였다. 뿜어져 나오는 물에 빛을 쏴 색을 입히는 색깔 분수였는데, 배 교수는 전자기파인 빛이 밀도 높은 물에서 공기 중으로 흩어지지 않는다는 ‘도파관 원리’를 떠올렸다.
배 교수는 “전자기파는 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로는 신호가 빠져나가지 않는다”며 “밀도가 높다면 플라스틱도 되고 스펀지도 되고 뭐든 상관 없다”고 설명했다. 또 “기존에 쓰던 구리선은 자유전자 때문에 사용했지만, 한계가 너무 명백해 다른 방법을 찾아야 했고 그때 색깔 분수가 눈에 들어왔다”고 말했다. 그래픽=정서희 그래픽=정서희 부도체로 데이터와 신호를 보낸다는 게 어색하게 들릴 수 있지만, 무선 통신은 이미 공기라는 부도체를 사용하고 있다. 다만 신호를 증폭시켜 멀리 보내고, 정확히 일부분만 수신하기 때문에 에너지 효율이 떨어진다. 신호가 광범위하게 흩어지기 때문에 방대한 데이터를 보내기에 적합하지 않다.
배 교수가 내놓은 차세대 케이블은 흔히 사용하는 플라스틱 소재로 만든 ‘E-튜브’다. 송신 장치에서 전자기파를 내보내면 플라스틱에 공기를 주입해 스펀지처럼 만들어진 소재를 따라 이동한다. 전자기파는 반대편 커넥터를 구성하는 안테나에 도달하고 반도체 칩에서 데이터 처리돼 수신 장치로 들어간다. E-튜브 개발을 시작한 건 2013년부터다. 다행히 KAIST에서 당시 5억원에 이르는 케이블 실험 장비를 지원했고, 빠르게 연구 성과를 논문으로 발표할 수 있었다. 배 교수는 멈추지 않고 2014년 초고속 통신 전문업체 포인투테크놀로지를 설립했다.
논문을 확인한 미국 반도체 기업 엔비디아와 인텔은 이 기술에 관심을 보였다. 엔비디아는 인수합병을 통해 포인투테크놀로지의 기술을 확보하려고 시도하기도 했다. 배 교수는 “처음엔 연구실의 석사과정 학생들을 데리고 만들기 시작했는데, E-튜브가 정말 된다는 걸 증명했다”며 “그다음엔 원천기술 특허를 확보하고 사업화하는 작업에 들어갔다”고 회상했다. 그러면서 “관심을 보이는 글로벌 기업도 많았지만, 우리가 투자받아 직접 개발하고 판매하자는 방식을 선택하게 됐다”고 강조했다. 그래픽=손민균 그래픽=손민균 E-튜브의 어떤 점이 글로벌 빅테크 기업들에 매력적이었을까.
해답은 데이터 속도와 전송 속도다. 데이터 속도는 네트워크를 통해 지정된 시간 동안 전송되는 데이터의 양을, 전송 속도는 초당 전송되는 신호를 말한다. 흔히 전송 속도가 올라갈수록 데이터 속도가 정체되는 한계에 부딪힌다. 전송 속도가 초당 110기가비트(Gbps)라고 치면 구리선은 최대 데이터 속도가 150Gbps, 광케이블은 350Gbps에 머문다. 하지만 E-튜브는 110Gbps의 전송 속도에서 데이터 속도가 450Gbps에 이른다. 소재가 흔히 쓰는 플라스틱 소재인 덕에 가격은 광케이블의 3분의 1 수준이다. 다만 흔한 소재라고 해서 제작법이 간단한 것은 아니다.
E-튜브는 흔히 우리가 볼 수 있는 플라스틱에 공기를 넣어 스펀지처럼 변한 소재를 사용해 가격이나 유연성 측면에서 장점을 가진다. 하지만 소재의 밀도와 접착 방식 등에 따라 성능이 천차만별이라 고도의 기술을 확보해야 한다. 배 교수 연구팀도 적합한 제조법을 찾기 위해 40개가 넘는 시제품을 제작했다. 포인투테크놀로지가 미국 전자 네트워크 기업 몰렉스에 보낸 E-튜브 데모 영상./배현민 E-튜브는 미국 전자 네트워크 기업인 몰렉스(Molex)가 생산하고 있다.
몰렉스가 생산한 E-튜브는 세계 최대 규모의 데이터센터를 구축하는 아마존으로 납품된다. E-튜브가 아마존웹서비스(AWM)의 데이터센터에 본격적으로 설치되면 1000억원 수준의 매출이 발생할 것으로 전망된다. 배 교수는 데이터센터뿐 아니라 전기차와 항공기 분야로 데이터 전송을 필요로 하는 모든 분야로 사업을 확대할 계획이다. 배 교수는 “포인투테크놀로지가 확보한 E-튜브 관련 특허만 100개 넘는다”며 “국내에서는 E-튜브에 들어가는 반도체를 삼성전자(74,000원 ▲ 600 0.82%)와 함께 협력해 생산하는 방안을 논의 중”이라고 말했다.
배 교수는 “E-튜브가 차세대 케이블로 주목받은 뒤 양산하고 싶다는 의향을 밝힌 기업이 여러 곳에 이른다”며 “특허에 대한 사용 비용만 지불하면 어느 기업이든 다 만들어서 쓰도록 하겠다”고 설명했다. 참고자료 Scientific Reports(2020), DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-75363-4 Scientific Reports(2015), DOI: https://doi.org/10.1038/srep16062
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