초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
반도체 집적화에 따른 열 문제는 현대 반도체 산업의 지속적인 성장을 위해 반드시 해결해야 하는 과제이다. 한가지 해결책은 전자의 스핀을 활용하는 것이다. 이전 연구에 따르면, 스핀을 이용하여 열을 전달하는 것이 가능하며 [Nat. Mater., 12, 549 (2013)], 역으로 열을 이용하여 스핀을 전달하는 것도 가능하다 [Nat. Mater. 9, 894 (2010)]. 이러한 열 및 스핀 전달에서 스핀-포논 상호작용은 아주 중요한 역할을 한다.
특히 최근 연구 [Phys.

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
반도체 집적화에 따른 열 문제는 현대 반도체 산업의 지속적인 성장을 위해 반드시 해결해야 하는 과제이다. 한가지 해결책은 전자의 스핀을 활용하는 것이다. 이전 연구에 따르면, 스핀을 이용하여 열을 전달하는 것이 가능하며 [Nat. Mater., 12, 549 (2013)], 역으로 열을 이용하여 스핀을 전달하는 것도 가능하다 [Nat. Mater. 9, 894 (2010)]. 이러한 열 및 스핀 전달에서 스핀-포논 상호작용은 아주 중요한 역할을 한다.
특히 최근 연구 [Phys. Rev. B, 101, 060407(R) (2020)]는 GHz 영역대의 음향 포논이 스핀과 강한 결합을 한다는 사실을 실험적으로 증명했다. 이러한 포논-스핀 상호작용은 자성 물질에서 일반적으로 발견되지만, 이를 에너지 전달에 어떻게 응용할지에 대한 연구는 아직 초기 단계이다. 따라서 본 연구는 음향 포논과 스핀의 상호 작용을 이용해 스핀을 제어하고, 스핀 및 열 전달 효율을 향상시키는 방법 개발하고자 한다.
궁극적으로 본 연구는 다음 질문들에 대한 답을 찾고자 한다:
(1) 나노 물질에서 음향 포논-스핀 상호 작용은 열 전달에 어떤 영향을 미치며 어떻게 이를 제어할 수 있는가?
(2) 스핀 전달 특성을 개선하기 위해 포논 마그논 상호 작용을 어떻게 활용할 수 있는가?
(3) 포논의 각운동량을 이용하여 전기를 생산할 수 있는가?
이러한 질문에 대한 답을 통해 스핀-열 전달 메커니즘에 대한 이해를 깊게하고, 보다 효율적인 스핀트로닉스 소자 개발에 기여할 수 있다.

◼ 전체 내용
본 연구는 자성 절연체인 yttrium iron garnet(YIG)을 주요 플랫폼으로 사용한다. 이 물질은 아주 작은 스핀 손실을 가지고 있어 차세대 반도체 소재로 많이 연구되고 있다. 또한 포논 전파 특성이 아주 우수하므로, 마그논-포논 상호작용 연구에 적합하다. 특히 이러한 커플링에 의해 포논이 발생하면, 스핀의 회전 특성 때문에, 각운동량을 가진 음향 포논이 발생한다. 이 연구에서는 포논의 각운동량을 활용하여 실험을 진행하고자 한다.
Theme 1 - 포논 기반 스핀-스핀 하이브리드 시스템 구현
앞선 연구 [Phys. Rev. B, 101, 060407(R) (2020)]에서 포논을 매개로 스핀을 결합시킬 수 있음을 보였다. 이 연구에서는 포논에 의한 스핀-스핀 결합 효율성을 극대화 시키는 방법을 개발한다. 특히 공명 현상을 이용해 커플링 강도를 제어할 수 있다. 이는 자기공명 방식의 무선 충전 원리와 유사한데, 공명시 송신과 수신 두 코일간의 커플링이 Q팩터 만큼 증가한다. 마찬가지로 두 자성 박막이 같은 공명 주파수를 가지게 되면 더욱 강한 커플링을 가져, 스핀의 전달 효율을 높일 수 있다.
Theme 2 - Brillouin light scattering (BLS) 를 활용한 각운동량을 가진 포논 전파 관측
이전 연구에서는 YIG 나노와이어에서 발생하는 마그논이 GGG(Gd3Ga5O12)기판의 포논과 결합할때 생기는 Surface acoustic wave (SAW)를 이용하여, 이들이 상호작용 할때 생기는 위상변화로 단방향 포논 전파가 일어남을 이론적으로 보였다. 이러한 특수한 포논 전파는 포논의 각운동량에 의해 가능하다. 본 연구에서는 빛이 포논이나 마그논과 상호작용할 때 생기는 에너지 변화를 측정하는 BLS를 이용하여 이러한 현상을 관측하고자 한다.
Theme 3 - 포논 각운동량을 이용한 전류 생성
스핀을 이용하지 않고 격자가 가진 각운동량만을 이용해 자성과 전기를 제어하는 가능성에 대한 이전 이론 연구들이 있다. 이러한 연구는 중금속의 강한 스핏 오빗 커플링에 의존하는 스핀-전류 변환 메카니즘을 대체해 가벼운 금속으로도 전류를 생산할 수 있음을 보여준다. 본 연구에서는 포논의 각운동량을 활용해 전류를 생성하는 방법을 개발하고자 한다. 실험적으로 Pt를 GGG위에 증착하여 포논이 가진 각운동량이 전기로 전환 가능한지 알아본다.
Theme 4 - 카이랄 포논 홀 효과의 관측
포논 각운동량이 가진 카이랄한 성질을 때문에 회전방향에 따라 특정 전파 방향을 선호할 수 있다. 따라서 이러한 포논이 전파될때 전파 방향과 수직한 방향으로 휘는 포논 홀 효과를 기대할 수 있다. BLS를 이용하면 포논이 휘는 현상을 직접적으로 측정할 수 있다. 혹은 두 개의 Pt를 일정 간격으로 배치해 저항의 변화를 측정해 포논이 어느 방향으로 전파하는지 확인할 수 있다.
Theme 5 - Ferroelectric/Ferromagnetic 하이브리드에서의 마그논 커플링 연구
스핀과 포논의 상호작용에 관한 연구를 BaTiO3/ferromagnet 하이브리드 시스템으로 확장한다. 이 시스템은 강전기성(ferroelectric)기판에 강자성(ferromagnetic) 물질을 결합한 artificial multi-ferroic 물질이다. 두 시스템간의 강한 결합을 위해 자기탄성계수(magnetoelastic coupling coefficients)가 높은 ferromagnet을 사용한다. 이 플랫폼을 활용해 자기 도메인과 스핀파를 전기장을 이용하여 제어할 수 있다. Microwave를 가해 발생한 음향 포논을 활용한 스핀파 제어 실험도 가능하다.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
Theme 1 - 포논에 의한 스핀 전파효율 최적화
처음 단계에서는 YIG1-GGG-YIG2으로 구성된 포논 스핀 밸브 구조에서 포논에 의한 스핀 전파효율을 극대화 시킬수 있는 방법을 개발한다. 이전 논문[Phys. Rev. B, 101, 060407(R) (2020)]에서 포논을 이용해 스핀이 실제로 전달됨은 보였으나, 실제 소자레벨에서 메모리에 활용될 수 있는 포논 기반 스핀 스위칭 등을 하기에는 스핀 전달 효율이 미비하다. 따라서 보다 효과적인 포논 매개의 스핀 전달 플랫폼 개발이 필요하다. 이를 위해 공명 주파수 튜닝을 이용한 스핀 전파 효율 극대화 방법을 연구한다.
Theme 2 - 광학적 방법을 통한 포논의 공간적 전파
포논 커플링 관측 스핀-포논 커플링으로 발생한 각운동량을 가진 포논을 광학적 방법 (BLS)으로 측정하는 플랫폼을 개발하고자 한다. 이를 통해, 이러한 포논의 공간적 전파 특성을 알아낼 수 있고, 단방향 전파의 가능성을 탐색할 수 있다.
Theme 3 - 포논 각운동량에 의한 전류생성
이 연구에서는 마그논-포논 커플링에 의해 생성된 포논 각운동량이 금속에 주입될때 전류가 생성되는지 실험해 보고자 한다. 이는 격자 회전운동을 전류로 변환하는 것이므로, 중금속의 강한 스핀-오빗 효과를 필요로 하지 않는다. 따라서 경금속 기반의 메모리 소자 개발 등 소재 분야에 혁신을 가져올 수 있다.
❏ 연구 내용
Theme 1 - 포논에 의한 스핀 전파효율 최적화
본 연구에서는 스핀1-포논-스핀2 하이브리드 시스템에서 포논, 스핀1, 스핀2, 세 개의 시스템의 공명주파수와 모두 같게 될때, 스핀1에서 스핀2로의 스핀 전파 효율이 어떻게 바뀌는지 알아보고자 한다. 이를 위해 두 자성 박막의 온도를 각각 변화시키거나, 자기장의 각도를 바꾸어 주는 실험을 진행한다. 특히 스핀2로 전달된 스핀 전류의 양을 더 효과적으로 알아내기 위해 Pt를 스핀2 시스템에 부착하여 Inverse spin Hall effect (ISHE) 에 의해 발생하는 전압을 측정한다.
Theme 2 - 광학적 방법을 통한 스핀-포논 커플링 관측 이 연구에서는 BLS를 통해 국소적인 스핀-포논 커플링 결합강도를 측정하고자 한다. 그리고 더 나아가 나노 공정을 통해 패턴된 구조에서 포논의 공간적 전파 특성을 광학적 방법을 통해 파악하고자 한다.
BLS에서는 포논 신호뿐만 아니라 마그논 신호가 같이 측정된다. 이를 구분하기 위해, 포논과 마그논 각각에 대해 빛이 산란될때 생기는 편광정도의 차이를 이용할 수 있다. 추가적으로 YIG을 에칭해 순수 GGG만 존재하는 영역을 디자인해, 포논 신호를 더욱 명확하게 구분할 수 있다.
Theme 3 - 포논 스핀 펌핑
이 실험에서는 YIG|GGG|Pt 시스템을 활용한다 (이는 기존의 스핀 펌핑 실험에서 Pt를 YIG측에 증착하는 것과 정반대). YIG 층에서 발생한 포논 각운동량은 GGG를 통과해 Pt에 도달한다. Pt에 nanovoltmeter 나 preamplifier + lockin 를 연결하면 nV 수준의 작은 신호까지 측정할 수 있다. 관측되는 결과를 설명하기 위해 통제 실험들도 필요하다. Cu를 GGG와 Pt사이에 증 착시켜 proximity effect를 제어 할 수 있다. 아직 오비탈 각운동량이 스핀 오빗 커플링에 의해 어떻게 전류로 바뀔수 있는지에 대해서는 이론적인 연구가 많이 없는데, 이 부분은 국내외 전문가들과의 협업을 통한 모델링이 필요하다.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
Theme 4 - 포논 홀 효과 관측
카이랄리티는 대칭이 깨져 있어 오른손과 왼손의 경우처럼 회전만으로는 같은 상태 가 될수 없음을 뜻한다. 각운동량을 가진 포논의 경우 본질적으로 카이랄한 성질을 가지고, 이러한 경우 보통 운동량과 스핀이 강하게 결합되어 있다. 따라서 포논의 회전방향에 따라 특정 전파 방향이 선호될 수 있다. 한편 포논의 수가 아주 많아지면 더이상 독립적인 기체상태가 아니라 유체처럼 행동하는데, 추가로 회전운동이 있을 경우 마그누스 효과가 발생한다. 회전방향에 따른 상대속도의 차이는 압력의 차이를 발생시켜 전파 방향에 수직한 방향으로 휘어지게 한다. 따라서 수많은 포논이 동시에 발생할 때 포논 홀 효과를 기대할 수 있다. 이론 연구 중에 온도 차이가 있고, 자기장이 걸려 있을때 전자 스핀들이 휘어진다는 연구가 있다. 제안된 연구는 이러한 거시적인 온도 차이 없이 포논이 휘어질수 있다는 점에서 다른 메카니즘이다.€€
Theme 5 - Ferroelectric/Ferromagnetic 하이브리드에서의 마그논 포논 커플링
앞선 연구를 바탕으로 강유전체 기판에 강자성 물질이 증착된 시스템에서의 마그논-포논 커플링으로 연구를 확장한다. 제안된 시스템의 강유전체 기판은 전기장에 의해 포논이 발생할 수 있어, 기판의 포논을 이용해 강자성 박막의 스핀을 제어하는 것이 가능하다. 이전 연구가 스핀의 회전운동으로 발생한 포논을 이용해 다른 스핀을 제어하는 것이었다면, 여기서는 직접적으로 포논을 먼저 여기시키고, 이를 통해 스핀파를 제어하는 가능성을 알아본다. 강자성 금속을 사용하게 되면 YIG등의 자성 절연체보다 접근성이 용이하므로, 스핀트로닉스 커뮤니티 전반에 크게 영향력을 끼칠 수 있다.
Theme 6 - 마그논-포논 커플링을 활용한€양자정보 전달
극저온 (mK 영역) 에서는 싱글 마그논 혹은 포논이 여기 될 수 있다. 이러한 상태는 양자얽힘 등의 상태를 가지고 있을 수 있어, 양자 정보 전달에 사용될 수 있다. 특히 앞서 제안한 시스템은 수 GHz 영역에서 작동하는데, 이는 최근 많이 연구되는 초전도 양자 컴퓨터가 작동하는 주파수와 유사해 초전도 양자 컴퓨터와 결합성이 아주 좋아, 마그논/포논을€활용한 양자 센싱, 양자 메모리로 응용 가능성이 높다. 따라서 극저온에서 초전도 큐빗과 양자 마그논/포논의 결합을 시도해 보고자 한다.
❏ 연구 내용
Theme 4 - 포논 홀 효과 관측
앞서 확립된 광학적 관측 기반을 토대로 BLS를 이용해 각운동량을 가진 포논의 공간적 분포를 측정한다. 포논 스핀 펌핑 실험처럼 Pt는 GGG위에 직접 증착하지만 홀 효과의 측정을 위해서는 소스 양쪽에 대칭이 되도록 Pt를 같은 간격으로 배치한다. 이후 Pt의 저항 변화를 측정해 포논의 전파에 따른 온도 변화를 알아낼 수 있다. Micro-BLS를 이용 해 포논의 전파를 직접 측정할 수도 있다. YIG 마그논에 의한 신호를 구분하기 위해 산란된 빛의 편광상태 측정도 필요하다.
Theme 5 - Ferroelectric/Ferromagnetic 하이브리드에서의 마그논 포논 커플링
강유전체 기판에서는 microwave 에 의해 포논이 발생할 수 있다. magnon과 달리 포논은 전기적인 측저이 어렵다. 따라서 BLS를 통해 강유전체 기판에서 포논이 microwave 에 의해 여기 될 수 있는지 확인하는 과정이 필요하다. 이렇게 발생된 포논이 강자성 박막의 포논과 같은 주파수가 될때, 포논과 마그논 사이의 에너지 교환을 관측하고자 한다. 특히 포논의 주파수를 바꾸어 가면서 이러한 커플링이 어떻게 바뀌는지 알아봄으로써, weak coupling 영역에서 포논 마그논 사이의 dissipative coupling 가능성을 테스트 해볼 수 있다.
Theme 6 - 마그논-포논 커플링을 활용한€양자정보 전달
YIG|GGG|Pt 구조 대신 초전도 물질을 쓰면 어떻게 될까? Nb의 경우 초전도 임계 온 도가 약 9 K이며, 자기장을 걸어도 초전도 상태가 잘 깨지지 않는다고 알려져 있다. 자기장의 방향을 바꾸어 주며 포논 각운동량이 Nb 초전도상태에 어떤 영향을 주는지 알아 내고자 한다. 자기장을 필름에 수직으로 걸어주면 각운동량이 있는 포논이 생성되고, 자기장을 필름에 수평하게 걸어주면 선형적 포논이 생성된다고 알려져 있다. 따라서 포논 각운동량이 초전도 상태에 어떻게 영향을 미치는지 규명할 수 있다. 더 나아가 초전도 큐빗을 공정하여 마그논/포논과 큐빗과의 상호작용을 연구하고자 한다.

□ 연구성과
본 연구 1단계에서는 스핀과 포논의 상호작용을 탐구하며, 이들 간의 결합을 통해 스핀 전달 효율을 극대화하는 방법을 개발함으로써 포논 기반 스핀 소자로서의 응용 가능성을 크게 높일 수 있다. 전기적 측정 뿐만아니라 BLS를 이용한 광학적 측정을 통해, 국소적으로 스핀 포논 커플링을 관찰함으로써, 포논의 공간적 전파 특성을 연구할 수 있다. 또한 포논의 각운동량이 오비탈-전류 상호작용을 통해 전류로 변환되는 가능성을 탐색하고자 한다. 2단계에서는 포논의 각운동량이 가진 카이랄한 효과를 공간적 전파 실험을 통해 밝혀내고자 한다. 또한 강유전체/금속 강자성체 구조로 스핀-포논 커플링 연구를 확장시키고, 더 나아가 초전도 큐빗과의 결합을 통해 고전적 스핀-포논 커플링이 아니라, 양자역학적인 스핀-포논 커플링의 가능성을 탐색하고자 한다. 제안된 연구 주제는 아래와 같이 단계별 예상 성과가 있다.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
포논 마그논 상호작용 연구는 나노 소자에서 열 및 스핀 전달에 대한 근본적인 이해를 향상시킨다. 분산관계 설계를 통한 연구로 포논 마그논의 커플링이 최적화 되는 지점을 찾을 수 있다. 이를 이용하면 더욱 효율적인 두 입자간의 에너지 전환이 가능하게 되고. 더 많은 스핀 전류를 생산할 수 있고, 스핏 오빗 커플링을 이용하여 전기 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 포논 스핀 펌핑을 이용하면 자성물질 없이도 스핀 홀 효과에 의해 전류를 얻을 수 있다. 이는 상용화 단계인 STT-MRAM을 비롯한 스핀 소자를 포논을 이용해 제어함으로써, 스핀트로닉스기반 반도체 소자 생산에 새로운 패러다임을 제시 한다.
더 나아가 포논을 이용해 자성체의 자화상태를 제어하는 phonon-driven magnetic tunnel junction(MTJ)과 같은 스핀트로닉스 소자 구현이 가능하다. 단방향 포논 전파는 열이 반사되어 다시 열원으로 돌아오는 것을 차단하여, 나노 소자에서 더욱 효과적인 열 재활용 루틴을 만들수 있다. BaTiO3/Ferromagnet 하이브리드 시스템을 이용하여 음향 포논으로 스핀파를 게이팅하는 새로운 형식의 스핀 트랜지스터를 구현할 수도 있다. 응용뿐만 아니라, 포논 홀 효과를 구현해 유체역학적 포논 공학과 같은 새로운 분야를 열수 있다. 포논의 유체적 특성을 이용하면 나노 병목점에서 열 전달 효율이 오히려 증가하는 등, 기존의 이론으로는 설명이 불가능한 새로운 현상이 나타난다. 이러한 연구를 통해 미래 에너지 기술에 필수적인 지식을 쌓을 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구과제의 개요 ... 8
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 16
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 17
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 17
• 2) 연구 추진전략 ... 18
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 19
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 19
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 20
• 끝페이지 ... 39