차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 에너지를 운반하는 스핀파

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=238370&cont_cd=GT

 

열은 보통 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르지만, 이제 일본과 독일의 물리학자들은 스핀파가 이런 흐름을 역전시킬 수 있다는 것을 보였다. 이들 연구진은 마이크로파를 결정의 한쪽 끝으로 발사하였는데, 가열되는 대신에 차가운 상태를 유지하였다. 반면에 결정의 다른 쪽 끝에서 약간 떨어진 곳에서, 온도는 증가하였다. 즉, 스핀파에 의해서 차가운 쪽의 끝에서 뜨거운 쪽 끝으로 열이 전달된 것이다. 연구진은 이런 결과는 열과 스핀을 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 새로운 디바이스의 개발을 가능하게 할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

스핀 칼로리트로닉스(spin caloritronics)는 열과 전하 그리고 스핀 사이의 상호작용을 다루는 스핀트로닉스이 새로운 분야이다. 최근 이 분야의 새로운 발견으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2008년, 일본 게이오 대학의 게니치 우치다가 이끄는 연구진은 온도 기울기 하에 금속성 자성을 놓으면 순수한 스핀 전류가 발생한다는 것을 보고하였다. 스핀 전류는 전자의 벌크 이동없이 전자 스핀이 흐를 수 있는 현상이다.

이제 일본 토호쿠 대학의 재료 연구소에 기반한 동일한 연구진에 의한 최근의 연구는 이트륨-아이언 가넷(yttrium-iron garnet)의 결정 안에서 이와 반대되는 효과를 시연하였다. 재료는 자기장 하에 놓여졌으며 스핀 전류는 그것을 가로질러 흐르도록 만들어졌다. 마이크로파는 시료의 아래에서 발사되었다. 이것은 보통 열진동을 여기시키는데, 그 결과 시료 바닥의 온도가 증가한다. 그러나, 마이크로파가 특정한 주파수 영역 안에 있게 되면, 대부분의 에너지는 다몬-에쉬바하(Damon?Eshbach) 파동이라고 불리는 표면층에 정렬된 스핀의 진동으로 변환된다. 연구진은 이런 스핀파가 결정의 한쪽 끝에서 다른 쪽으로 흡수된 에너지의 많은 부분을 전달할 수 있는 능력이 있다는 것을 발견하였다.

그러나, 이런 파동들은 결정의 상단과 하단에서 모두 발생하며 상단의 파동은 반대 방향으로 이동한다. 그 결과, 결정의 하단 표면을 따라 진행하는 에너지는 보통 상단으로 곧장 돌아와 열이 단지 한 방향으로 움직이는 것을 막는다. 이런 현상이 발생하는 것을 중지시키기 위해서, 이들 연구진은 스핀 파동이 다른 쪽 끝에서 열로 갖고 있던 에너지 대부분을 버리고 마이크로파로 가열된 영역으로 매우 낮은 에너지를 가지고 돌아올 수 있도록 하였다. 이것은 마치 수화물 운반기에서 한쪽 끝에는 수화물 담당자가 있고 다른 쪽에는 비행기에서 내린 승객들이 자신의 수화물을 찾기 위해서 서있는 것과 비슷하다. 승객들이 회수하지 않은 일부 수화물은 수화물 담당자에게 다시 돌아오지만 전체적인 수화물의 흐름은 한 방향으로 움직이는 것에 비유할 수 있다.

연구진은 비교적 두꺼운 결정을 이용하여 그와 같은 컨베이어를 만들었다. 그와 같은 시료 안에서, 스핀파는 결정의 하단에서 상단에 도달하기 위해서 벌크 시료를 통과해야 한다. 이 과정에서 대부분의 스핀파 에너지는 결정 격자에 포논 형태로 잃게 된다. 그 결과, 마이크로파에 의해서 충돌되는 끝단보다 반대쪽 끝단이 더 뜨겁게 되는 것이다. 이트륨-아이언 가넷은 열적으로 우수하지 못하며, 따라서 포논들은 그것들이 생성된 곳에서부터 매우 느리게 확산된다. 따라서 이 효과를 더욱 향상시킨다.

연구진은 열발생이 실제 열원에서 멀리 떨어져 일어나고 있기 때문에, 이것은 열 발생을 밀어내어 디바이스를 냉각시키는데 사용될 수 있을 것으로 생각하고 있다. 미국 노스캐롤라이나 주립 대학의 전기 및 컴퓨터 엔지니어인 다니엘 스탠실(Daniel Stancil)은 정보 이론에서 사용되는 것과 같은 스핀파로 실험한 대부분의 경우는 격자 포논에 에너지가 손실되는 것을 방지하기 위해 박막으로 수행된다고 말하였다. 그는 이들 일본 연구진의 연구는 한 점에서 다른 점으로 에너지를 이동시켜 멀리 떨어진 곳의 온도를 올리기 위한 새로운 메커니즘이라고 생각한다고 말하였다. 이들의 연구 결과는 네이처 재료에 발표되었다.

첨부그림: 뜨거운 금속.

PW-2013-04-22-Wogan-spin-heat.jpg

http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/apr/22/spin-waves-carry-energy-from-cold-to-hot