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- 호피온은 원자 스핀의 특정 배열로 인해 발생하는 물질 내의 자기적 3차원 구조
- 특이한 호피온 고리를 제어하고 절단할 수 있음을 최초로 입증
- 미래의 스핀트로닉 컴퓨터와 데이터 저장 장치에 매우 중요한 발견
- 호피온을 이용한 최초의 컴퓨터나 데이터 저장 장치를 제작하기까지여러 과제 남아

호피온의 강도 시험

자기 매듭 게임: 물리학자들이 특이한 호피온 고리를 제어하고 절단할 수 있음을 최초로 입증했다. 이는 미래의 스핀트로닉 컴퓨터와 데이터 저장 장치에 매우 중요한 발견이다. 호피온은 원자 스핀의 특정 배열로 인해 발생하는 물질 내의 자기적 3차원 구조다. 매듭과 유사하게, 호피온은 변형되더라도 기본적인 특성이 유지되는 위상 구조로 여겨진다. 그러나 연구진은 이번 실험에서 이러한 한계를 극복하는 데 성공했다. 

▲ 호피온은 자기 물질에서 발견되는 고리 모양의 스핀 구조다. 물리학자들은 처음으로 호피온을 분리하는 방법을 발견했다. © Kasai et al/ APS Open Science, CC-by 4.0

자석의 영향 하에서 일부 물질은 특이한 스핀 구조, 즉 입자의 원자 스핀으로 형성된 특수한 입자적 특성을 지닌 기하학적 형태를 만들 수 있다. 여기에는 소용돌이 모양의 스커미온 뿐만 아니라 불과 몇 년 전에 처음으로 실험적으로 발견된 호피온도 포함된다. 호피온은 고리 모양의 3차원 구조로, 고전적인 매듭의 자기적 대응물로 간주된다.

핵심은 이러한 매듭이 위상학적 대상이라는 점이다. 즉, 고리 수와 교차 연결 수와 같은 기본적인 특성은 단순한 변형으로는 변경할 수 없다. 이러한 자기 매듭 구조는 안정성 때문에 양자 컴퓨터나 새로운 자기 저장 장치와 같은 양자 정보 전달에 유망한 소재로 여겨진다. 하지만 이를 위해서는 호프 수(Hopf number)로 표현되는 호프온의 위상 구조를 능동적으로 제어해야 한다.

1에서 2, 또는 4로

도쿄대학교의 쇼야 카사이(Shoya Kasai) 교수가 이끄는 연구팀은 호프온을 분할하는 방법을 최초로 발견했다. 높은 호프 수를 가진 호프온 고리는 더 낮은 호프 수를 가진 여러 개의 새로운 호프온으로 변환된다. 이렇게 생성된 호프온은 간단한 논리를 따른다. 즉, 분할 전후의 호프 수는 동일하게 유지되어야 한다. 따라서 4개의 원자로 이루어진 호프온은 2개의 원자로 이루어진 고리 2개 또는 1개의 원자로 이루어진 고리 4개로 나눌 수 있다.

▲ 호피온은 이런 방식으로 분리될 수 있다. 이 과정에서 중요한 것은 금속 기판에서 자기 물질로 침투하는 스핀 전류다. © Kasai et al/ APS Open Science, CC-by 4.0

연구진은 "이번 발견은 노드 위상 구조의 계층적이고 동적인 제어를 위한 길을 열었으며, 이는 여러 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다. 고리 모양의 스핀 구조는 상대적으로 교란에 강한 자기 저장 장치를 형성하며, 이러한 안정성에도 불구하고 특정 방향으로 조작할 수 있다.

스핀 전류를 제어 요소로 활용

호피온의 제어된 분리는 소위 스핀 궤도 토크(SOT)에 의해 가능해진다. SOT는 강자성 물질 층과 그 아래에 있는 중금속 층이 결합될 때 발생한다. 중금속에 전압을 가하면 금속층에 수직인 스핀 전류가 생성된다. 이 전류에서 같은 스핀을 가진 전자는 한 방향으로 흐르고, 정확히 반대 스핀을 가진 전자는 반대 방향으로 흐른다. 전기 전류와 달리 이러한 방식으로는 전하가 이동하지 않는다.

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물리학자들의 설명에 따르면, 스핀 전류가 자기 물질에 들어가면 그곳에 존재하는 호피온에 작용하여 이 고리들을 분리시킨다. 스핀 전류의 강도가 특정 임계값을 초과하면 홉피온 고리가 파열된다. 카사이와 그의 동료들은 "스핀 전류는 호피온을 분리시켜 홉 수가 더 낮은 여러 개의 홉피온을 남긴다"고 설명했다.

스핀트로닉 컴퓨터를 향한 첫걸음일까?

물리학자들은 "노드 토폴로지의 이러한 제어 가능성은 호피온의 고유한 특성이며, 이를 통해 임의의 홉 수로 안정화될 수 있다"며, "따라서 우리의 연구 결과는 노드의 토폴로지 자유도와 스핀 전류 제어 변환성을 활용하는 호피온 기반 다단계 저장 장치 개발의 길을 열어준다"고 설명했다. 하지만 호피온을 이용한 최초의 컴퓨터나 데이터 저장 장치를 제작하기까지는 여전히 여러 가지 과제가 남아 있다.

출처:
Shoya Kasai (University of Tokyo) et al., APS Open Science, 20ß26; doi: 10.1103/ngvg-h27j

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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