레이저를 사용하여 비자성 물질을 자화하면 현대 컴퓨터가 변화될 수 있습니다.

양자 컴퓨팅은 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 산업을 완전히 변화시키고 우리가 우주를 이해하는 방식을 바꿀 수 있습니다. 양자역학의 원리와 컴퓨터 과학을 결합함으로써 양자 컴퓨팅은 여러 솔루션을 탐색하는 동시에 엄청난 양의 데이터를 처리함으로써 복잡한 문제를 쉽게 해결할 수 있게 해줍니다. 

이러한 방식으로 양자 컴퓨터는 신약 발견, 기후 모델링, AI 기능 향상 및 최적화 문제 해결에 도움을 줄 수 있습니다. 또한 기존 암호화 방법을 깨고 깨지지 않는 양자 암호화 시스템을 만들어 사이버 보안에 대한 잠재력을 가지고 있습니다.

수년에 걸쳐 우리는 양자 우월성, 오류 수정 코드, 클라우드 기반 양자 컴퓨터를 포함하여 양자 컴퓨팅 분야에서 상당한 발전을 이루었습니다. 그러나 이러한 진전은 실험실의 극도로 추운 온도로 인해 크게 제한되었으며, 이는 곧 바뀔 수도 있습니다. 

이제 북유럽 5개국과 스톡홀름 대학교, 베니스의 Ca' Foscari 대학교가 협력한 북유럽 이론 물리학 연구소(NORDITA)의 연구원들은 실온에서 양자 거동을 성공적으로 입증했습니다. 레이저 빛을 활용하여 최초로 레이저 빛이 비자성 물질을 자성으로 만들 수 있게 되었습니다.

자기는 컴퓨터 기능에 중요한 역할을 하기 때문에 이는 매우 중요합니다. 컴퓨터 메모리는 전압으로 자화된 소규모 전자석을 사용하여 "켜짐" 또는 "꺼짐"이라는 이진 상태를 활성화합니다. 원자와 전자가 자기장에 반응하는 방식을 통해 전자 장치는 데이터를 읽고, 쓰고, 조작할 수 있습니다.

이 새로운 연구에서 연구자들은 비자성 물질을 고주파 레이저 방사선에 노출시키면 실온에서 자기 효과를 생성할 수 있는 방법을 보여주었습니다.

새로운 혁신은 보다 에너지 효율적이고 빠른 컴퓨터, 정보 전송 및 데이터 저장을 위한 길을 열 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 절대 영도(섭씨 -273도) 근처의 온도에서 작동하는 경향이 있는 양자 기술을 사용하여 제작된 기계 등 전자 장치에 혁명을 일으킬 수 있는 놀라운 가능성을 보여줍니다.

비자성 재료를 자성으로 전환

이번 연구에서 연구진은 화학적 반응성이 높은 스트론튬(Sr)과 경량 티타늄(Ti)의 산화물인 티탄산스트론튬(SrTiO₃)을 사용했다. 인간이 거주할 수 있는 온도에서는 페로브스카이트 구조를 가지며 유전율이 높은 것으로 알려져 있습니다.

이 물질은 고주파 레이저의 빛에 노출되어 원자를 휘저어 움직이게 했습니다. 이로 인해 티탄산스트론튬 내에 전류가 생성되어 자성을 띠게 되었습니다.

스톡홀름 대학의 물리학자이자 연구 주저자인 스테파노 보네티와 카 포스카리는 자신들의 방법의 참신함에 대해 다음과 같이 말했습니다.

"빛이 이 물질의 원자와 전자를 원운동으로 움직이게 하여 냉장고 자석만큼 자성을 갖게 하는 전류를 생성한다는 개념입니다."

하지만 비자성 물질을 자성으로 바꾸는 것은 새로운 것이 아닙니다. 이는 이미 예측되고 조사된 바 있다. 

2015년, 네이처 출판 두 가지 일반적인 비자성 금속인 구리와 망간이 자석으로 바뀔 수 있다 금속의 얇은 막을 탄소 기반의 유기 분자와 결합함으로써 가능합니다. 상온에서 결과를 얻었으나 자성이 약하여 며칠이 지나면 없어졌다.

이 실험은 1930년대 리드 대학의 이론물리학자 에드먼드 스토너(Edmund Stoner)가 이론을 기반으로 했으며, 그는 원소가 자성을 가질 수 있는 이유를 조사했습니다.

2020년에도 연구팀은 다음과 같은 일을 할 수 있었습니다. 비자성 산화물 재료를 변형하여 자성으로 만듭니다. 각 재료의 제어된 층별 성장을 통해. 같은 해, 또 다른 연구진은 비자성 황철석이나 황화철의 자성을 켜기 위해 전기를 사용했습니다. 그만큼 이 연구에서 사용된 기술은 전해질 게이팅(electrolyte gating)이었습니다.이는 황철석을 전해질(이온성 액체)과 접촉시킨 다음 1볼트의 전기를 가하여 양으로 하전된 분자를 이동시키고 측정 가능한 자기력을 생성하는 것과 관련이 있습니다. 이 경우 전압을 끄면 자기도 차단됩니다.

빛을 이용해 재료의 특성을 바꾸는 기술 역시 꽤 오랫동안 과학계에서 상당한 주목을 받아왔습니다. 

문제는 자석과 자기장이 일반적으로 전류 순환에 의해 생성된다는 것입니다. 2019년 물리학자들은 선형 편광으로 비자성 금속 디스크를 조명하고 전류를 순환시키며 디스크에서 자성이 자연스럽게 나타나도록 했습니다. 원칙적으로, 이 방법은 비철금속을 자석으로 바꿀 수 있습니다. 레이저 광을 사용하는 "주문형".

빛을 사용하여 원자 회전 및 전류 생성

거시적 규모의 회전으로 인해 발생하는 자화를 바넷 효과라고 합니다. 이 효과에 따라 재료는 완전히 회전하여 배열되지 않은 자성 재료 전자의 고유한 각도 회전을 정렬하여 내부에 순 자기장을 생성합니다.

새로운 실험에서는 원형 편광 레이저 펄스를 사용하여 비자성 물질에서 원자 규모의 회전이 이루어졌습니다. 펄스는 물질의 원자를 회전시켜 레이저의 주파수와 공명하는 원형 편광 진동인 집단 키랄 포논을 생성합니다.

이를 위해 원적외선(FIR)에서 원형 편광, 즉 '코르크스크류' 모양을 갖는 새로운 광원이 개발되었습니다. 이러한 편광을 가진 레이저 광이 물질에 입사하면, 원편광은 물질 원자를 회전시켜 원자 전류를 생성함으로써 물질 원자로 전달됩니다. 빛의 주파수가 원자의 진동 주파수와 일치하면 그 효과는 증폭되고, 결과적으로 상당히 큰 자기장이 생성됩니다. 

그래서 Bonetti가 이끄는 국제 그룹이 수행한 실험에서는 양자 물질인 티탄산스트론튬(SrTiO3)에 특정 파장과 편광의 강렬하지만 짧은 레이저 빔을 가하여 자성을 유도했습니다. 800nm, 피코초 길이의 펄스는 100μm 원적외선 레이저에서 발사되었습니다. 

특히, 탐침 펄스의 커 회전(Kerr rotation)을 측정했습니다. 연구팀은 또한 160~360 켈빈 범위의 다양한 온도를 사용했습니다. 그 결과, 280 K(7°C)에서 가장 높은 응답을 얻었습니다. 이 시점에서 펄스의 테라헤르츠 전기장은 물질의 첫 번째 광학 포논 모드와 공명했습니다.

In 이 최신 연구는 Nature에 발표되었습니다., 수석 저자 Bonetti는 물질이 실제로 실온에서 자성이 어떻게 명확하게 나타나는지 유도하고 확인할 수 있었던 것은 이번이 처음이라고 언급했습니다. 

이 접근 방식을 통해 팀은 "자석이 일반적으로 금속으로 만들어지는 경우 많은 절연체로 자성 재료를 만들 수 있게 되었습니다"라고 그는 덧붙였습니다.

한편, 레이저 기술을 통해 유도된 자화 정도는 자성에 따라 빛이 물질에서 다르게 반사되는 확립된 효과를 이용하여 측정되었습니다.

그들의 실험에서 측정 결과는 물질이 자성을 띠는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 양을 계산하기 위한 알려진 이론적 방법에 기초한 유도 자화의 크기는 예상보다 약 4배 정도 더 컸습니다. 이러한 차이는 물리학자들이 계산을 지나치게 단순화했기 때문입니다. 

또 다른 연구자 그룹은 원편광 적외선 레이저 펄스를 사용하여 비자성 물질에 일시적으로 자기 효과를 유도했습니다. 

네덜란드 Radboud 대학의 과학자들이 일본 Nihon 대학과 협력하여 이 작업을 수행했지만 기존의 광대역 펄스 대신 FELIX 자유 전자 레이저의 매우 협대역 펄스를 사용하여 특정 격자 진동을 더 잘 목표로 삼을 수 있었습니다. 공명. 그들은 또한 생성된 자화를 사용하여 자성 합금의 자화를 전환했습니다.

이들 연구자들에 따르면, 음파 공명은 자기 매체에 데이터를 기록하는 새롭고 빠른 방법으로 사용될 수 있습니다. 원편광된 빛의 회전 방향을 바꾸면 팀은 자화 방향도 바꿀 수 있습니다.

레이저 광의 사용 증가

레이저 광의 사용이 급속히 증가하고 있습니다. 이번주만 해도, 과학자들이 새로운 발견을 했다: 집중된 레이저 빔은 고체 물질의 자기 상태를 변화시킬 수 있어 초고속 컴퓨팅 메모리의 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

이를 위해 과학자들은 빛의 자기장의 주파수와 진폭과 자성 물질의 에너지 흡수 특성 사이의 연관성을 설명하는 새로운 "원소" 방정식을 준비했습니다. 예루살렘 히브리 대학교의 물리학 교수인 아미르 카푸아(Amir Capua)에 따르면:

"이 기술을 통해 우리는 광자기 기록을 완전히 재고하고 아직 존재하지도 않는 고밀도, 에너지 효율성, 비용 효율성이 뛰어난 광자기 저장 장치를 개발할 수 있게 되었습니다." 

이 기술은 앞으로 더 빠르고 효율적인 MRAM 구성 요소로 이어질 것으로 예상됩니다. 

전세계 레이저 기술 시장 규모는 실제로 돌출한 현재 29.5억 달러에 달하는 기업 가치가 20년 안에 XNUMX억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 수치는 다양한 산업 분야에서 레이저가 지닌 폭넓은 잠재력에 기인합니다.

레이저는 방사선 방출을 자극하여 빛의 빔을 생성하는 광학 장치입니다. 고강도, 일관성, 단색성 및 방향성과 같은 이 빛의 고유한 특성으로 인해 레이저는 의학, 통신, 과학, 군사 분야 등에서 널리 사용됩니다. 그 결과 레이저 공간에서는 수많은 발명과 실험이 이루어지고 있습니다.

가장 최근에는 루마니아의 과학자들이 만든 세계에서 가장 강력한 레이저 방출량으로, 지구에서 받는 태양 에너지의 10분의 10에 해당합니다. 프랑스 회사 탈레스가 운영하는 부쿠레슈티 인근 센터에 설치된 이 레이저는 25페타와트(XNUMX경 와트)의 출력을 가진 것으로 알려졌습니다. 최대 출력은 약 XNUMX펨토초라는 극히 짧은 시간 동안, 그리고 불과 XNUMX마이크로미터의 폭으로만 달성되었습니다.

과학자들은 레이저가 의료에서 ​​우주에 이르기까지 다양한 분야에서 혁명적인 발전을 이끌기를 희망하고 있습니다. 본 발명은 핵폐기물 처리 및 우주쓰레기 청소에 응용될 수 있다.

또 다른 최근 연구에서는 RIKEN 물리학자들이 매우 짧은 레이저 광 펄스 실현 최대 전력은 6조 와트에 달했습니다. 이는 원전 6,000개가 생산하는 전력량과 맞먹는다. 이번 성과는 전자 연구를 가능하게 하는 아토초 레이저 개발에 도움이 됐다. 

작년에 Anne L'Huillier, Pierre Agostini 및 Ferenc Krausz는 아토초(1000경분의 1초) 빛 펄스에 대한 연구로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

이러한 초단거리 레이저 펄스는 극도로 빠른 공정을 밝히는 데 도움이 되며 과학자들에게 공정을 포착하고 조사할 수 있는 강력한 방법을 제공합니다. 

“아토초 레이저는 전자의 움직임을 포착할 수 있게 함으로써 기초 과학에 큰 공헌을 했습니다.”

– RIKEN 첨단 포토닉스 센터의 Eiji Takahashi

질병 진단, 생체세포 관찰, 신소재 개발 등에 활용될 것으로 기대된다.

레이저가 향후 수십 년 동안 어떻게 중추적인 역할을 하게 되는지 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

레이저 유도 자기의 미래 잠재력

ERC Synergy Gran과 Knut 및 Alice Wallenberg 재단의 자금 지원을 받아 실온에서 비자성 물질을 자성으로 바꾸는 연구는 물리학에서 물질의 집합적 질서가 가장 기본적이고 매혹적인 사건 중 하나이며 동적 다강성(dynamical multiferroicity)이 자화의 출현을 설명하기 위해 도입되었습니다. 

간단히 말해서, 결정 내 이온의 일관된 회전 운동은 회전축을 따라 자기 모멘트를 유도합니다. 

바로 이러한 메커니즘으로 인해 연구팀은 전형적인 상전기 페로브스카이트 SrTiO3의 자화를 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 이미 다른 여러 실험실에서 재현되었습니다.

그러나 이 물질의 자성은 약 1조 분의 1초 동안만 유지되었습니다. 컴퓨터 메모리에 적용하기에는 시간이 부족했습니다.

그렇긴 하지만, 이것은 과학자들이 마침내 이론을 실용화할 수 있게 된 훌륭한 출발점입니다. 이는 확실히 더 많은 연구를 통해 시간이 지남에 따라 실현될 중요한 잠재적인 기술 응용 프로그램을 가지고 있습니다.

연구에 따르면 실험 결과는 자기 제어의 새로운 경로를 보여줍니다. 이는 예를 들어 빛을 사용하여 격자 진동을 일관되게 제어함으로써 매우 빠른 자기 스위치에 활용될 수 있습니다.

더욱이, 이 연구는 스트론튬 티타네이트로 시작되었지만 앞으로는 더 오랜 기간 동안 자성을 유지할 수 있는 다른 더 복잡한 재료를 탐구할 수 있습니다. 여기에서 유일한 방법은 컴퓨팅 장치에 사용할 수 있는 문을 열 더 흥미로운 발견을 통해 앞으로 나아가는 것입니다.

연구 저자이자 NORDITA의 물리학 교수인 Alexander Balatsky는 다음과 같이 말했습니다. 

"이것은 더 빠른 정보 전송과 훨씬 더 나은 데이터 저장, 그리고 훨씬 더 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨터에 사용될 수 있습니다."

따라서 결과가 유망하고 자화를 기반으로 하는 전자 장치 및 컴퓨팅의 큰 개선으로 이어질 수 있지만 추가 작업이 필요합니다.

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