화학공학소재연구정보센터
  • 금속 산화물 계면에서 발생하는 스핀 전류등록일 : 2015/12/13
  • 은 나노와이어를 통해서 전자가 산란되는 방식을 조절함으로써, RIKEN의 연구진은 차세대 자기 메모리 장치에 순수한 스핀 전류를 생성시킬 수 있는 새로운 방법을 발견했다.

    스핀트로닉스 기술은 전자의 양자 스핀 상태를 이용한다. 양자 스핀은 매우 작은 막대자석처럼 ‘위’ 또는 ‘아래’로 움직인다. 이런 목적을 달성하기 위해서, Yoshichika Otani와 그의 연구진은 ‘측면 스핀 밸브(lateral spin valve)’를 개발했다. 이 스핀트로닉스 장치는 기존의 전류에서 순수한 스핀 전류를 분리한다.

    이번 연구진의 측면 스핀 밸브는 강자성 니켈-철 합금으로 구성된 두 개의 나노와이어 간의 작은 갭을 연결하는데 은 나노와이어를 사용한다. 첫 번째 강자기 전극에서 주입된 스핀-분극된 전류는 은 나노와이어에서 비-평형 스핀 축적을 수행한다. 이것은 은 와이어를 따라서 순수한 스핀 전류가 흐르게 한다. ‘위’와 ‘아래’의 스핀을 가진 전자들이 서로 다른 화학적 포텐셜을 가지고 있기 때문에, 두 번째 강자기 전극은 전압으로 이런 스핀 전류를 검출한다.

    전자와 표면 간의 상호작용은 스핀이 ‘위’에서 ‘아래’로 반전되게 한다. 이러한 스핀-반전 산란은 항상 나쁜 결과를 가지고 오지 않는다: 계면 스핀을 전하 전류로 직접적으로 전환할 수 있기 때문에, 스핀트로닉스 장치 속의 자기를 조작하거나 스핀 전류를 검출할 수 있는 방법을 제공할 것이다.

    이번 연구진은 표면-계면 산란이 지배적인 프로세스일 때 마그네슘 산화물 층으로 은 나노와이어를 코팅하는 것이 스핀-플립 산란을 감소시킨다는 것을 이전에 증명했다. 다른 효과를 조사하기 위해서, 이번 연구진은 몇 개의 서로 다른 금속 산화물로 은 표면을 코팅했다.

    대부분의 코팅들은 스핀 반전에 제한적인 영향만을 가졌지만, 한 개의 코팅은 뛰어난 특성을 가졌다. 즉, 비스무스 산화물과 은 나노와이어 간의 계면은 1 배까지 반전 가능성을 증가시켰다. “우리는 이런 코팅 층의 능력에 놀라움을 금치 못했다”고 Shutaro Karube가 말했다. “이런 결과가 스핀 완화를 분석하는데 종종 사용되는 메커니즘에서 벗어났기 때문에, 우리는 추가적인 완화 메커니즘이 필요하다고 추측했다”고 Karube가 덧붙였다. 

    과학자들은 예기치 않은 동작이 ‘Rashba effect’ 때문이라고 추론했다. 이것은 스핀-분극 에너지 밴드가 계면에서 분리되는 현상이다. 분할은 전자 운동 방향에 의존한다. 이런 효과는 자기장을 사용하는 일 없이 스핀을 조절하는데 사용될 수 있고, 이것은 은-비스무스 산화물 계면이 스핀 흡수체로서 활용되게 한다.

    “Rashba 계면은 순수한 스핀 전류를 생성하기 위해서 자기 기억 소자의 자화를 전환하거나 스핀 전달 토크에 의해서 메모리(race-track memory) 속의 자기 도메인 벽을 변위시키는데 도움을 줄 수 있다”고 Karube가 말했다. 이 연구결과는 Applied Physics Letters에 “Spin relaxation characteristics in Ag nanowire covered with various oxides”라는 제목으로 게재되었다(http://dx.doi.org/10.1063/1.4931697).

    그림. 전자의 스핀 상태를 효과적으로 ‘플립(flip)’하는 은(Ag) 나노와이어와 비스무스 산화물(Bi2O3) 사이의 계면. 이러한 스핀 완화 프로세스를 활용하는 것은 스핀과 전하 전류 간의 더 나은 컨버터를 수립하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
  • 키워드 : 금속 산화물, 계면, 스핀 전류
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑