컴퓨터 하드디스크에 태풍 닮은 ‘자기 소용돌이’ 있다
김상국 교수
이 연구논문은 세계 응용물리학 분야의 우수한 연구결과를 엄선해 싣고 있는 미국 응용물리학회지 ‘어플라이드 피직스 레터스(Applied Physical Letters)’ 1월 31일자의 표지 논문으로 소개됐다.
컴퓨터의 하드디스크인 자기정보 저장매체를 자세히 들어다 보면 수많은 작은 자석(원자)들로 이루어진 수십 나노미터(nm, 10억분의 1m) 두께의 자성박막으로 구성된다. 이 자석들은 두 가지 상반된 방향으로 회전을 하는데 이 두 가지 방향에 따라 자성박막에는 ‘0’과 ‘1’이라는 디지털 형태로 정보가 저장된다.
그런데 저장된 정보를 다시 기록할 때 고정된 회전 방향을 반대 방향으로 바꿔줘야 한다. 이처럼 자성체의 회전방향이 바뀌는 현상을 ‘자화반전’이라고 한다.
일반적으로 컴퓨터 하드디스크의 정보처리(쓰기) 속도는 자화반전이 얼마나 빨리 이뤄지느냐에 의존한다. 학계나 산업체에서는 정보저장 매체의 용량을 증대하는 노력과 함께 하드디스크가 정보를 얼마나 빨리 기록할 수 있는지를 연구해 왔다. 따라서 자화반전의 메커니즘을 발견하고 속도를 높일 수 있는 방법을 찾는 것이 관련 업계의 큰 관심이었다.
흥미롭게도 자성박막에서 원자들의 스핀 배열 상태의 움직임은 마치 태풍처럼 소용돌이 형상을 띠고 있다. 그래서 이 움직임을 가리켜 ‘자기 소용돌이(magnetic vortex)’라고 부른다. 자기 소용돌이의 크기는 마이크로미터(100백만분의 1m)~나노미터 수준이며 중심은 약 10나노미터 정도다.
다른 한편으로는 그동안 자화반전은 상반된 스핀방향을 갖는 ‘자구’들의 경계영역, 즉 ‘자구벽(magnetic domain)’의 이동으로 이루어진다고 알려져 있었다.
연구팀은 ‘방사광 연 X-선 현미경’을 이용해 자구와 자구벽에서 국부적인 작은 스핀들의 방향이 어떻게 변하는지를 이미지화하는데 성공했다. 연구내용에 따르면 자구벽에서 다양한 소용돌이와 반소용돌이(antivortex)가 형성되고 이들 간의 상호작용이 자기박막의 자화반전에 동역학적으로 핵심 역할을 하고 있다.
지금까지의 연구는 마이크로미터 두께의 자성박막에서 형성되는 자기 소용돌이의 정적인 구조에 대해 주로 이뤄져 왔다.
김 교수는 “자화반전이 소용돌이-반소용돌이 쌍의 생성, 진행, 소멸 과정을 통해 일어나고 있다는 점을 확인했다”며 “에너지적으로 안정한 상태에 있던 스핀의 배열은 외부 자기장이 인가되면 더 이상 안정한 상태가 아니며 또 다른 안정한 상태로 재배열된다”고 말했다.
김 교수는 또 “이 과정을 태풍의 형성과 소멸 과정에 비유해 설명할 수 있다”며 “자연계에서 에너지적으로 불안정한 대기층의 급격한 변화 때문에 태풍이 적도 부근에서 생성되고 이후 육지로 상륙하면서 에너지를 잃어 태풍이 소멸되는 것과 마찬가지 현상”이라고 덧붙였다.
김상국 교수는 한국과학기술원(KAIST)에서 학부를 졸업하고 포항공대에서 석박사과정을 마친 후 2001년 말 서울대 교수로 채용돼 화제가 된 인물이다. 교수 채용당시 지원자 14명 중에는 서울대 박사 3명과 미국 하버드 MIT 등 외국 유명대학에서 박사학위를 딴 실력자들이 대부분이었기에 더욱 주목을 받았다.
(한국과학기자협회 작성)
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