전자스핀(spin) + 전자공학(electronics) = spintronics
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자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙 : 자기력에 대한 이론적 베이스 확립 |
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Maxwell equation(맥스웰 방정식) (포스팅 예정) : 전기와 자기가 결합해 빛과도 관련이 있음을 시사 |
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: 원자 모형에 Spin의 등장 P.Dirac 방정식 (포스팅 예정) : 원자 Spin에 대해 완전하게 설명한 방정식 |
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:외부 자기장에 의해 Spin이 받는 에너지 : Spin과 Spin의 상호작용을 설명한 이론 : Spin에서 나오는 자기장에서 파생되는 에너지 자기 이방성 에너지(magnetic anisotropy energy) : Spin이 실제 3D 세상에서 존재하는 방향 에너지 : 원자 자체와 전자 스핀의 상호작용으로 기존 전기 현상에 스핀 도입 가능 |
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magnetic material_강반자성AFM(antiferromagnetic), 강자성FM(ferromagnetic), paramagnetic, diamagnetic : 소자에 사용되는 자성 물질 : Spintronics에 주로 사용되는 재료 분석 |
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자화의 운동방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG)_스핀 감쇠(spin damping) : 스핀의 변화와 반전 메커니즘에 대한 이해 가능-> 스핀 반전 제어 가능 : 스핀에 힘을 가하는 원리 설명 -> 전기적 스핀 상태 제어 가능 |
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: Spin이 흐르는 전류 스핀 홀 효과(spin hall effect, SHE)_Anomalous Hall effect(AHE), ISHE : 물질의 성질에 의해 전하 전류로 Spin 전류를 유도할 수 있는 효과 : 자화를 제어하는 메커니즘 |
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: Spin 상태를 전기적으로 저항으로 검출할 수 있는 저항-자기 저항의 성질로 전자와 스핀을 동시에 제어하여 전자소자 제작 시작 |
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터널 자기 접합 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) : Spin 정보를 전기적으로 읽어 메모리 읽기로 가장 적합한 구조 : 전기적으로 Spin 방향을 제어해 메모리 쓰기로 가장 적합한 메커니즘 |
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: 스핀을 이요한 메모리 소자 (차세대 메모리 포함 : Racestrack, VoCSM) : Spintronics를 이용한 오실레이터 |
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Storage-class memory (SCM) : NVMs (비휘발성 메모리) : MRAM의 적용 점과 목표 |
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측정 실험법 : [특집] Spintronics 측정 (MRAM 측정) ferromagnetic resonance (FMR)_magnetic resonance : Spin의 torque를 확인할 수 있음 소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta : 자기 저항과 Torque측정 가능 MOKE (Mangeto-Optical Kerr Effect microscope) : 광학적으로 Spin 상태를 검출 가능 |
스핀트로닉스는
전자 내부 스핀 성질을 이용하여 전자소자를 제작하는 학문입니다.
전자를 이용하는 electronics 대신 스핀(spin)을 이용한다 하여 spintronics라 불립니다.
스핀은 자성을 나타내는 가장 작은 단위이기도 합니다.
따라서 자석을 이용하여 나노소자를 만드는 학문이라고 생각할 수 있습니다.
스핀트로닉스를 이용하면 새로운 개념을 가진 메모리 소자와 논리소자를 구현할 수 있고,
더 나아가 인공지능 반도체와 양자컴퓨터에도 쓰일 수 있습니다.
현재는 HDD와 일부 Embeded 반도체에서 사용됩니다.
스핀트로닉스는 크게 두 가지로 나뉘는데 구조 내에 자성이 일정한 시스템인지 다른 상태로 있는 시스템인지에 따라 나뉩니다.
즉 ▽M=0 인 현재의 STT MRAM, SOT MRAM, domain wall이 있고
▽M≠0인 skymiron, spin bubble, 스핀파(spin wave) _spin pumping, spin seebeck, magnon 등이 있습니다.
연구는 크게 Spin Injection(Creation), Manipulation(Flow), Detection(spin dependent Chemical potential=spin accumulation) 이 세 가지를 연구를 하며, 분야에 따라서 Spin과 interaction 하는 Fermion인 electron, proton, neutron, magnon과의 관계와, Boson인 Poton, Phonon과 같은 각종 -on들과의 관계를 연구합니다.
Spintronics의 연구의 key는 메모리 소자인데, 현재 이를 해결해야 할 과제를 간략하게 본다면
$$I_{sw} = E_B$$
입니다. 다시 말해 자성을 switching 시키는 전류(Isw)와 switching 시킬 때의 energy barrier의 비가 커야 합니다.
$$\frac{E_B}{I_{sw}}$$
즉 이들만 고려하면 되는데, switching current를 낮추기 위해서는 Spin의 Torque를 고려하여야 하고, Torque 중 damping이 낮고 spin의 polarization이 높아야 합니다.
[특집] spin torque : field like torque VS damping like torque
에서도 다루겠지만, damping항을 낮추긴 만만치 않고, spin polarization은 upper limit이 있습니다.
따라서 새로운 Spintronics 물리를 사용하여 이들을 해결하고자 세계 각지에서 열심히 연구 중입니다.
참고로 HDD의 경우 READ 부분에선 이미 목표를 달성했기 때문에 집적도를 높이기 위해 열을 이용해서 더 좁은 영역에 메모리를 쓸 수 있는 HAMR 이 개발 중이나 본 블로그에서는 다루지 않습니다,