오늘의 주제는 반도체의 전하를 이용한 전하엔지니어링시대에서 앞으로는 자성체의 스핀을 이용하는 스핀엔지니어링시대를 열어가는 자성체의 박크하우젠 효과(또는 잡음효과 또는 임계성 또는 점프)와 이를 나타내는 거듭제곱법칙 및 그 분포지수의 변화에 관한 내용으로,
KAIST(한국과학기술원)가 2007년 7월 16일 이 대학 물리학과 스핀정보물질 연구실의 신성철(申成澈.55) 교수와 류광수(柳光洙.30) 박사팀이 자구벽 미세구조 변화가 거듭제곱법칙에 미치는 영향을 세계 최초로 규명했다고 밝힌 내용을 소개한다. 전자기학도 어려운데 자기학의 자성체 내의 N극과 S극이 불규칙적으로 변화하는 이유에 대한 내용으로 이해하기가 매우 어려운 고난이도의 내용으로 필요한 기술적인 내용들은 <스핀정보물질 연구실> 홈페이지에 올려진 내용들을 바탕으로 소개하고자 한다.

이 연구 결과는 세계적 학술지인 '네이처 피직스'(Nature Physics)의 2007년 7월 15일자 인터넷판(Advance online publication, AOP)에 "강자성 필름의 박크하우젠 임계성에서 관찰된 조정 가능한 분포지수 변화 발견(Tunable scaling behaviour observed in Barkhausen criticality of a ferromagnetic film)"라는 논문으로 게재되었다(논문 다운로드-02293-02-2007-TRM-04-K.PDF)
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[목차]

1. 스핀트로닉스(Spintronics)란?
2. 나노스핀닉스(Nanospinics)란?
3. 거듭제곱법칙(Power law)이란? 복잡한 현상을 가로지르는 거시적 질서
4. 온도에 따른 박크하우젠 잡음현상(Barkhausen avalanche or effect or noise)의 원리를 밝혀
5. 논문 요약
6. 광자기 현미경이란?
7. Criticality(임계성, 고비성)
8. 메모리의 종류(02250)
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1. 스핀트로닉스(Spintronics)란?(스핀정보물질 연구실 홈페이지 참조)

4000 여년 전 자철광이 처음 발견된 이후, 자성체는 신이 인간에게 허락한 문명 이기의 핵심물질 중 하나로서 나침반, 자석, 모터뿐 아니라, 음향기기의 스피커나 통신기기의 송수화기의 음파발생원으로, 자동차와 항공기의 속도, 가속도, 회전 및 토크 등의 센서물질로, 자기공명영상장치(MRI) 등 첨단 의료기기 물질로, 컴퓨터 하드디스크나 신용카드의 정보저장물질로, 생산공정 분야의 감지센서 물질 등 실로 광범위한 분야에 응용되어 왔고, 또한 인간을 비롯한 포유동물의 신진대사에 없어서는 안될 페리틴(ferritin - 철과 아포페리틴의 복합물로 일반적으로 위장 점막, 간, 비장, 골수에 소량 존재한다)과 같은 생체 단백질 물질이기도 하다.

그러나 자성체의 오랜 역사와 광범위한 응용에도 불구하고 자성체 연구와 이에 대한 학문적 이해는 다른 금속체나 반도체에 비해 뒤떨어져 있다. 이는 자성체의 자기적특성이 수 나노미터(nm) 거리 정도에서 작용하는 원자스핀간의 소위 교환상호작용(exchange interaction)에 의한 협동현상(cooperative phenomena)에 의해 좌우되기 때문에 실험적으로나 이론적으로 연구하기에 어려움이 있기 때문이다. 그러나 '90년대에 들어오면서 고진공 증착기술과 표면과학의 급속한 발전으로 나노미터 두께의 자성박막 제조가 가능하게 되었고, 또한 이들 인위적 제조 물질에서 기존의 자성체에서 볼 수 없는 수직자기이방성이나, 거대자기저항(Giant magnetoresistance)등 새로운 자기현상들이 발견되었는데, 이로인해 학문적으로 자성체연구의 르네상스를 가져왔고, 특히 응용적측면에서 새로운 기술시대를 예고하게 되었다. 그것은 지금까지 반도체의 전하를 이용한 전하엔지니어링시대에서 앞으로는 자성체의 스핀을 이용하는 스핀엔지니어링시대를 열어가게 될 것이다. 1 Tb/cm2 초고밀도/대용량 자기 및 광자기 기록매체, 1 GBps 고감도 자기기록헤드 등 첨단 스핀정보소재 뿐 아니라, 현재의 실리콘(Si) 반도체에 기초한 전자 디바이스들의 속도 및 집적도의 한계를 훨씬 능가하는 자기저항메모리(MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory), 스핀터널링메모리(STRAM, Spin Tunneling Random Access Memory), 스핀트랜지스터 등 소위 "Spintronics" 라는 새로운 기술혁명을 가져올 것으로 기대된다.

2. 나노스핀닉스(Nanospinics)란?(스핀정보물질 연구실 홈페이지 참조)

자성체 소자들의 집적밀도 및 거동특성은 근본적으로 전자스핀 교환상호작용에 의해 협동현상을 보이는 스핀들의 집합, 즉 자구(magnetic domain)의 크기와 동력학에 의존하기 때문에, 초고집적화 기술 개발을 위해 나노 크기 자구의 제어와 이해가 선행되어야 한다. 그러므로 현재의 마이크로자성학(Micromagnetism)을 초월하여, 나노크기 자구의 거동을 이해하고 예측할 수 있는 새로운 파라다임의 '나노자성학(Nanomagnetism)'이 학문적으로 정립되어야 한다.

나노자성학의 학문적 정립을 위해 나노자성체에서의 자구형태 및 스핀 동력학을 다루는 소위 '나노스핀닉스(Nanospinics)'를 중점적으로 연구해야 한다. 이를 위해 나노자성박막, 나노점 및 나노점 배열(array), 분자자성체 등 여러 가지 형태의 새로운 나노자성체를 인위적으로 제조하고, 나노자성체의 자구 및 자기적 특성 측정을 위한 원자층 분해능의 초고감도 실시간 측정방법을 개발하여, 나노자구 동력학 메카니즘을 규명해야 한다. 특히, 자성체의 3가지 근원적 의문에 초점을 맞추어 연구를 수행해야 한다. 그것은 (1) 나노자성체의 스핀방향과 자구형태, (2) 자구반전과정, (3) 거시적 양자효과의 존재여부에 대한 연구이다. 왜냐하면 이 3가지 근원적 질문은 학문적 측면에서 나노자성체 스핀동력학 규명의 핵심일 뿐 아니라 응용적 측면에서 나노자성 스핀정보물질을 이용한 스핀트로닉스(Spintronics) 소자의 집적밀도, 정보저장 수명, 그리고 작동시간의 궁극적 한계에 해답을 줄 수 있기 때문이다.

이를 위해 신성철 교수가 이끄는 스핀정보물질 연구실은 학문적 측면에서는 나노자성체의 자구형태 및 스핀거동을 규명하는 나노스핀닉스라는 새로운 학문분야를 선도적으로 개척하여 정립하고 있어, 나노자성체 현상연구의 세계적 연구그룹으로 위상을 확보할 것이며, 기술적/경제적 측면에서는 세계 최고의 초고밀도/초고속 나노스핀 정보물질을 개발하므로써 정보저장산업의 세계시장 확보와 나아가 스핀트로닉스 신산업 창출에 크게 기여할 것으로 보인다.

3. 거듭제곱법칙(Power law)이란? 복잡한 현상을 가로지르는 거시적 질서(윤영수, 채승병 지음, 복잡계 개론, 서울 : 삼성경제연구소, 2005, 페이지 045-054 참조; Steven Strogatz, SYNC[조현욱 옮김, 동시성의 과학, 서울 : 김영사, 2005, 페이지 340-354 참조)

우리가 사는 세상은 개체들이 복잡하게 얽혀 있어 어떤 일이 발생할지 모른다. 그런데 복잡한 것처럼 보이면서도 세상이 체계적으로 돌아가는 것을 보면 신기하기만 하다. 복잡계(Complex system)에서 관찰되는 대표적인 질서현상으로 자연계뿐만 아니라 사회계에서도 다양하게 나타나는 법칙이 바로 거듭제곱법칙(Power law)이다.

1934-1939년에(On Seismic Waves에 4편의 논문 발표;1934, 1935, 1936, 1939) 산 안드레아스 단층을 따라 지진이 빈발하는 캘리포니아 지역을 중심으로 지진 에너지의 크기와 지진 발생 빈도를 조사하던 캘리포니아 공과대학의 지진학자 구텐베르그(Beno Gutenberg)와 리히터(Charles Francis Richter)는 지진의 에너지가 10배가 될 때마다 그 발생빈도는 1/10로 줄어든다는 사실을 발견했다. 이 관계를 '구텐베르그-리히터의 법칙(Gutenberg-Richter law)'이라고 하고 그 공식은 바로 logE(S) = 11.8 + 1.5M 이다.

[관련 참고문헌]

B. Gutenberg, C.F. Richter, Publ. Bur. Centr. Seism. Int., Travaux Scientifiques, A 15, 1937, 3.
B. Gutenberg, C.F. Richter, "P' AND THE EARTH'S CORE", Geophysical Journal International, Volume 4, Issue s5, pp. 363-372, May 1938.
B. Gutenberg, C.F. Richter, "Frequency of earthquakes in California", Bulletin of the Seismological Society of America, 1944; 34: pp. 185-188.
B. Gutenberg, C.F. Richter, Seismicity Of The Earth And Associated Phenomena, Princeton University Press, 1949.
B. Gutenberg, C.F. Richter, "Earthquake Magnitude, Intensity, Energy, and Acceleration", Bull. Seism. Soc. Am., 46, 1956, 105.

다음 그래프에서 보는 바와 같이 가로축과 세로축 모두 아래가 10인 로그 단위로 그려져 있다. 그래서 값이 열 배 증가할 때 마다 그 로그값은 1씩 증가하여, 로그 단위로 그린 그래프를 통해 살펴본 지진의 패턴은 깨끗하고 단순한 직선으로 나타난다. 이와 같이 어떠한 두 값의 관계가 로그 평면에서 직선 모양이 나온다면(b=1) 이 두 값은 거듭제곱을법칙을 따른다고 한다. 이는 거대한 지진이든 작은 지진이든 그 크기에 관계없이 똑같은 원리에 의해 지배 받는다는 것을 의미한다. 복잡한 지구의 구조와는 관계없이 일률적으로 성립하는 단순한 규칙이 있는 것이다. 복잡한 세상에서 발견되는 이러한 일관된 규칙의 존재는 우리가 제대로 인식하지 못하고 있는 거대한 질서가 숨어 있음을 암시해준다.

물리학계에서는 지진의 강도와 빈도, 병원에서 기다리는 시간과 빈도 등과 같이 피상적으로 불규칙해 보이는 자연 및 사회현상도 상관관계가 있으며, 나아가 그런 상관관계를 한 가지 법칙으로 설명할 수 있음을 1980년대 말 밝혀냈는데 그 것이 바로 '거듭제곱법칙'이다. 쉽게 말해 이 법칙은 지진 강도가 높을수록 발생 확률이 떨어지는 것처럼, 큰 현상이 일어날 확률은 낮은 반면 작은 현상이 일어날 확률은 높다는 것이다.

이와 같은 거듭제곱법칙은 다음가 같은 상황에도 적용된다.

* 파레토(V.Pareto)의 "이탈리아에서 80%의 부는 상위 20%가 차지하고 있다" - 훗날의 80대 20의 법칙
* 1960년대 프랑스 출신의 수학자 만델브로(B. Mandelbrot)의 면화의 시장 가격변동 분포
* 미국 시장의 다우존스지수, S&P 500지수, 국제 주요 통화사이의 환율변화 분포
* 지프의 법칙(Zipf's law) - 1949년 출간된 <인간의 행동과 최소 노력의 법칙>에서 밝힌 <율리시즈>에 등장하는 영어단어 빈도 분포
* 주민의 정착규모분포(서울은 1000만 이상으로 빈도가 1, 그러나 10만 도시는 무지기 수임)
* 강도에 따른 전쟁빈도 분포(전쟁으로 인한 사상자의 로그 값)
* 피고용인 수에 따른 기업의 크기 분포
* 기업간의 생존 경쟁
* 인터넷을 통해 전송되는 파일의 크기 분포
* 슈퍼컴퓨터에서 실행을 기다리는 명령들의 크기 분포
* 바닷가에서 채취한 모래알들의 크기 분포
* 달에 형성되어 있는 분화구들의 지름 분포
* 하루 동안 각 전화 가입자들이 받는 통화 수의 분포
* 각 생물 속(genus)에 포함되어 있는 종(Species)의 수 분포
* 고등교육을 받을 수록의 수입금의 비례 분포
* Winner-Take-All Society

4. 온도에 따른 박크하우젠 잡음현상(Barkhausen avalanche or effect or noise)의 원리를 밝혀

이런 불규칙한 현상이 자성체에도 존재한다는 사실은 1919년 독일의 물리학자 박크하우젠(Heinrich Georg Barkhausen)이 처음 발견했다. 이 현상을 '박크하우젠 잡음현상(Barkhausen avalanche or effect or noise)'이라고 하는데, 자성체를 이용한 스핀트로닉스 기술 구현시 잡음을 만드는 근원적 원인으로 지목돼 왔다.

[그림 : 자화(J) 또는 유량(속) 집적도(B)는 강자성 물질 내의 자기장 힘의 함수로 S 곡선을 이룬다. 삽입 표시는 바로 임계질량의 임계성으로 박크하우젠 점프(jumps)를 나타낸다. 사진 : Wikipedia]

그 동안 수많은 물리학자들의 연구로 박크하우젠 잡음현상도 거듭제곱법칙 통계분포로 설명될 수 있다는 것이 입증됐지만 '거듭제곱법칙 분포지수가 같은 차원의 자성체에서 왜 다양한 값을 갖는지' 하는 의문은 미해결 과제로 남았었다. 이번에 카이스트 연구팀은 특수 기능의 '광자기 현미경'을 제작, 자구역전(Magnetization reversal, 자성체의 자화(Magnetization, N극과 S극) 방향이 반대로 바뀌는 것) 과정을 400nm(나노미터) 분해능(分解能)으로 실시간 관찰한 결과 자구벽(magnetic domain-wall)의 미세구조 변화가 거듭제곱법칙 분포지수 변화에 결정적 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 망간아세나이드(MnAs) 자성 박막의 온도를 변화시켜 자구벽(상이한 자화방향의 두 자기구역 사이 경계면) 구조가 변하는 것을 실시간 관찰했다. 실제로 온도가 섭씨 20도에서 35도로 상승하는 과정에서 자구벽 구조가 톱니 모양에서 평평한 모양으로 민감하게 변화했다고 연구팀은 설명했다. 이같은 연구 성과는 거듭제곱법칙 분포지수가 자성체 차원(dimension)에만 의존한다는 학계의 기존 학설을 뒤집는 동시에, 지난 20년간 박크하우젠 잡음현상 연구에서 미해결 과제로 남았던 의문점을 확실히 규명한 것으로 평가된다.

[그림 : 광자기 현미경으로 20-35도 범위에서 50nm의 망간아세나이드(MnAs) 필름을, 0초, 2초, 4초의 3가지 시간에 따라 관찰된 자구-진화 패턴. 각각 온도에 따라 자구진화패턴은 자구역전 동안 불연속적이고 불규칙적인 자구 점프를 보여준다. 이 자구 점프는 1,000번의 실험에서 시간, 크기, 위치에 관계없이 온도에 따라 무작위적으로 진행되어 그림처럼 3가지의 대표적인 자구 이미지를 만들어 냈다. 따라서 온도에 따른 자구 점프는 임계상태에서 박크하우젠 효과와 상응하고 있다. H와 화살표는 반대방향으로 적용된 불변 자기장. 사진 : 본 논문에서]

[그림 : 1,000번의 실험 결과 20-35도에 이르는 전 범위에서 박크하우젠 효과의 분포는 거듭제곱법칙 분포지수 변화를 보여주고 있다. 사진 : 본 논문에서]

아울러 자성체 스핀을 이용해 혁신적 신소자를 개발하는 '스핀트로닉스' 기술구현시 장애가 되는 잡음현상을 정확히 이해하는 데도 크게 기여할 것으로 보인다. 연구팀의 신성철 교수는 자성 분야 최대 학회로 오는 11월 미국 플로리다에서 열리는 '자성 및 자성체학회'(MMM)에 초청 연사로 참석, 이번 연구 성과를 직접 소개할 예정이다.
http://www.magnetism.org/

신성철 교수
http://physics.kaist.ac.kr/people/sungchul_shin.htm
scshin@kaist.ac.kr
TEL : +82-42-869-2528
FAX : +82-42-869-8100
web : http://cnsm.kaist.ac.kr
연구실 : 자연과학동 2302호

5. 논문 요약

강자성 물질은 불연속적이고 불규칙한 자구 점프를 보여주는데 이를 외부 자기장 내의 박크하우젠 효과라한다. 박크하우젠 잡음현상에 대한 연구들은 내재된 임계성을 의미하는 거듭제곱법칙 분포지수 변화를 밝히고 있는데, 이는 초전도 소용돌이, 마이크로 틈새, 지진, 폐 팽창, 대량 멸종, 주직시장 및 전하-집적 파장 등의 다양한 시스템에서 관찰되고 있다. 그런데 지금까지 밝혀지지 않은 가장 근본적인 질문은 분포지수 내의 보편성이 어떻게 물질이나 물질의 구체적인 미세구조와 관계없이 존재하는가 이다. 이에 우리는 본 논문에서 주어진(같은 차원의) 강자성 필름에서 존재하는 박크하우젠 임계성의 분포지수는 차원이 아니라 다양한 온도 변화에 의해 실험적으로 조정 및 관찰이 가능함을 입증하였다. 우선 주어진 시스템의 박크하우젠 임계성 내의 분포지수 변화는 쌍극성의 상호작용으로부터 상대적인 기여를 할 때 두 가지의 보편성 수준을 가로 질러 뛰어 넘는다는 사실을 관찰했으며, 이 때 자구벽 에너지들은 주어진 실험 패러미터에 의해 변화된다는 사실을 관찰했다(A ferromagnetic material shows a sequence of discrete and jerky domain jumps, known as the Barkhausen avalanche, in the presence of an external magnetic field. Studies of Barkhausen avalanches reveal power-law scaling behaviour that suggests an underlying criticality, as observed in a wide variety of systems such as superconductor vortices, microfractures, earthquakes, lung inflations, mass extinctions, financial markets and charge-density waves. The most interesting unsolved fundamental question is whether the universality in the scaling exponent holds regardless of the material and its detailed microstructure. Here we show that the scaling behaviour of Barkhausen criticality in a given ferromagnetic film is experimentally tunable by varying the temperature(not dimensionality). We observe for the first time that the scaling behaviour in the Barkhausen criticality of a given system crosses over between two universality classes when the relative contributions from the dipolar interaction and domain-wall energies are altered by an experimental parameter).

6. 광자기 현미경이란?(스핀정보물질 연구실 홈페이지 참조)

본 장치는 자성물질의 스핀(spin) 동력학 연구를 위하여 광자기 Kerr현상을 이용한 고성능 광자기 현미경 시스템이다. 고성능 광자기 현미경 시스템은 광학편광현미경, 열자기기록 시스템, 영상처리 시스템과 전자석으로 이루어져 있으며, 그 주요 사양은 아래와 같다.

* 공간 분해능: 0.3㎛
* Kerr회전각 분해능: 0.2˚
* 최대배율: ×1,000
* 최대인가자장: ±5 kOe, 자장인가속도: 20 kOe/sec
* 실시간 자기구역 영상처리: 10 Frames/sec
* 열자기기록: 출력-10 mWatt, 기록시간-50 ns(시료표면)

7. Criticality(임계성, 고비성)

임계질량(또는 고비질량, Critical mass)은 핵분열을 일으키는 물질은 어떤 질량 이상이 모이면 자발적인 연쇄반응을 일으키는데, 이 연쇄반응에 필요한 최소의 질량을 의미한다. 임계질량을 넘으면 작은 충격으로도 어마어마한 폭발이 일어날 수 있다. 이 때문에 복잡계(Complex system)에서는 어떠한 급격한 변화를 유발하는 한계 조건을 나타낼 때 은유적인 표현으로 쓰인다. 임계현상(또는 고비현상, Critical phenomenon)은 임계점 주변에서 일어나는 현상으로 통계물리학에서는 상전이(Phase-transition, 즉 고체에서 액체로, 액체에서 고체로) 현상 중 잠열(숨은 열)이 발생하지 않는 2차 상전이 현상을 대표적인 임계현상이라 한다. 통상적으로 시스템의 급격한 변화를 나타낼 때 은유적인 표현으로 쓰인다. 임계점(또는 고비점, Critical point)은 통계물리학에서 2차 상전이가 일어나는 지점을 의미하며, 수학에서는 미분값이 무한대 또는 0이거나 정해지지 않는 점을 의미한다. 통상적으로 급격한 변화가 일어나는 고비가 되는 지점을 의미하여, 때로는 티핑 포인트(Tipping point), 분기점(Bifurcation), 변곡점(Inflection), 특이점(Singularity) 등의 의미로 쓰이기도 한다. 임계상태(또는 고비상태, Critical state)는 어떤 시스템이 임계점에 놓여 있는 상태를 의미한다. 통상적으로 어떤 급격한 변화가 일어나기 직전의 불안정한 상태를 나타낼 때 은유적인 표현으로 쓰인다.

임계성(또는 고비성)은 임계상태에서 보여지는 시스템의 특징을 의미한다. 시스템의 다양한 물리량들이 거듭제곱법칙을 보인다. 매개변수가 임계점에 매우 가까울 때 이 거듭제곱의 분포지수와 미세변화는 같은 차원의 시스템(dimensionality of the system)에 의해 보편성(universality)을 띠고 보편적 분포지수변화가 일어난다는 것이 기존 학설이었다. 그러나 거듭제곱법칙 분포지수가 같은 차원의 자성체에서 왜 다양한 값을 갖는지가 이번 신성철 교수팀의 연구로 밝혀진 것이다. 즉, 강자성체 내의 자구벽 운동에서는 온도 변화에 따라 임계성이 하나의 보편성에서 다른 보편성 수준으로 뛰어 넘어 구조가 변화한다는 것이다(Scaling behaviour - as observed in avalanches - reveals universal behaviour dictated by the dimensionality of the system. For domain-wall motion in a ferromagnet, however, the criticality can cross over from one universality class to another depending on the temperature).

8. 메모리의 종류(02250)

[참조]

[코발트 나노입자(Cobalt nanoparticles) 베이스의 나노링(Nanorings) 베이스의 MRAM(자기메모리) 도전, 미국 퍼듀(Perdue) 대학 및 영국의 캠브리지(Cambridge) 대학 앞으로 10-20년 안에 상용화 도전, 전기도 필요 없는 나노링 자체의 자기장으로 시계방향(1), 반대방향(0)으로 작동, 기존의 정보기술(IT)과 나노기술(NT)의 컨버전스 사례(02/Feb/2004), 01949]

[소스]

[KAIST_신성철 교수팀의 스핀정보물질 연구단]
[문화일보-20년 난제 ‘라디오 잡음’ 원리 규명, 신성철 KAIST 교수팀(16/Jul/2007)]
[중앙일보-KAIST, 세계 물리학계 `20년 숙제` 풀었다[연합]. 신성철.류광수팀 `자구벽 구조의 거듭제곱법칙 영향` 규명, 네이처피직스 게재..스핀트로닉스 기술 획기적 발전 기대(16/Jul/2007)]
[동아일보-‘한국 과학의 힘’ 물리학 20년숙제 풀고, 의식생성 과정 규명(16/Jul/2007)]
[조선일보-‘지지직~’ 라디오 잡음 원리 풀었다, KAIST 신성철 교수 20년 물리학 난제 해결(16/Jul/2007)]
[MBC-동영상보기-물리학계 '20년 난제' 풀었다/대전-02293-13-2007-TRM-13-K.WMV/2.5MB(16/Jul/2007)]
[YTN-동영상보기-거듭제곱법칙, 새롭게 규명한다!-02293-14-2007-TRM-13-K.WMV/7.6MB(16/Jul/2007)]