레이저를 이용한 비자성 물질의 자화는 현대 컴퓨터를 변革할 수 있다

양자 컴퓨팅은巨大한 잠재력을 가지고 있다. 그것은 산업을 완전히変革시키고 우주의 이해를 바꿀 수 있다. 양자 역학의 원리와 컴퓨터 과학을 결합하여 양자 컴퓨팅은 복잡한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 이는大量의 데이터를 병렬로 처리하여 여러 가지 해결책을 탐색하는 것을 가능하게 한다.

이러한 방식으로, 양자 컴퓨터는 의약품 개발, 기후 모델링, AI 능력 향상, 최적화 문제 해결에 도움을 줄 수 있다. 또한 사이버 보안에서 기존의 암호화 방법을 깨고 양자 암호화 시스템을 생성하는 데 잠재력을 가지고 있다.

과거 몇 년 동안, 우리는 양자 컴퓨팅에서 상당한 진전을 이루었다. 양자 우위, 오류 정정 코드, 클라우드 기반 양자 컴퓨터 등이 있다. 그러나 이러한 진전은 주로 극저온 연구실에서 이루어졌으며, 이는 곧 변할 수 있다.

현재, 노르딕 이론 물리학 연구소(NORDITA)의 연구자들은 스톡홀름 대학교와 베네치아 카 포스카리 대학교의 협력으로, 레이저 빛을 이용하여 실온에서 양자 행동을 성공적으로 시연하였다. 처음으로, 레이저 빛을 이용하여 비자성 물질을 자성 물질로 만들 수 있었다.

이것은 매우 중요하다. 자성은 컴퓨터의 기능에 중요한 역할을 한다. 컴퓨터 메모리는 전압으로 자화된 작은 규모의 전자석을 사용하여 “켜짐” 또는 “꺼짐”의 이진 상태를 가능하게 한다. 원자와 전자가 자성 필드에 반응하는 방식으로 전자 장치가 데이터를 읽고, 쓰고, 조작할 수 있다.

이 새로운 연구에서, 연구자들은 비자성 물질에 고주파 레이저 복사선을 노출시킴으로써 실온에서 자성 효과를 생성할 수 있음을 보여주었다.

이 새로운 돌파구는 더 에너지 효율적인 컴퓨터, 정보 전송, 데이터 저장을 가능하게 할 수 있다. 특히 절대 영도(-273도 셀시우스) 주변에서 작동하는 양자 기술을 이용한 기계에서 전자 장치를革命화하는 데 큰 약속을 가지고 있다.

비자성 물질을 자성 물질로 만드는 것

최신 연구에서, 연구자들은 스트론튬 티타네이트(SrTiO₃)를 사용하였다. 이는 스트론튬(Sr)과 타이타늄(Ti)의 산화물로, 높은 화학 반응성과 경량의 특징을 가지고 있다. 이 물질은 인간이 거주할 수 있는 온도에서 페로브스카이트 구조를 가지고 있으며, 높은 유전 상수를 가지고 있다.

이 물질은 고주파 레이저의 빛에 노출되었으며, 이는 원자를 들뜨게 하고 움직이게 하였다. 이는 스트론튬 티타네이트 내에서 전기적 흐름을 생성하여 자성 물질로 만들었다.

연구의 주도자 스테파노 보네티(Stefano Bonetti)는 스톡홀름 대학교와 카 포스카리 대학교의 물리학자로, 다음과 같이 말했다.

“이 개념은 원자와 전자를 이 물질 내에서 원형 운동을 하게 만들어, 자성 물질을 생성하는 것이다.”

비자성 물질을 자성 물질로 만드는 것은 새로운 것이 아니다. 이미 예측되고 연구된 바 있다.

2015년에, 네이처는 구리와 망간, 두 가지 비자성 금속이 탄소 기반 유기 분자와 결합하여 자성을 띌 수 있음을 발견하였다. 그러나 이 결과는 실온에서 얻었지만, 자성은 약했으며, 몇 일 후에 사라졌다.

이 실험은 1930년대 이론 물리학자 에드먼드 스토너(Edmund Stoner)의 이론에 기반하였다. 그는 어떤 원소가 자성을 띠는지를 조사하였다.

2020년에, 연구 팀은 비자성 산화 물질을 수정하여 자성 물질로 만들 수 있었다. 또한 같은 해에, 다른 연구 팀은 전기를 이용하여 비자성 물질인 철 황화물의 자성을 켤 수 있었다.

빛을 이용하여 원자를 회전시키고 전류를 생성하는 것

자성의 원인은 일반적으로 순환하는 전류에 의해 생성된다. 2019년에, 물리학자들은 선형偏光 레이저 빛으로 비자성 금속 원판을照明하여, 순환하는 전류를 생성하고 자성을 띠게 하였다.

원자 규모에서 회전은 바넷 효과로 알려져 있다. 이 효과에서, 물질은 완전히 회전하여 자성 물질의 전자의 내재된 각도 회전을 일치시켜, 그 내부에서 순자성 필드를 생성한다.

新的 실험에서, 원자 규모에서 회전은 원자에 원형偏光 레이저 펄스를 이용하여 생성되었다. 이는 원자의 원형偏光 진동을 생성하여, 레이저의 주파수와 공진을 일으키게 하였다.

이新的 光源은 원형偏光을 가지고 있으며, 이는 ‘코르크 나사’ 모양을 가지고 있다. 이러한偏光의 레이저 빛이 물질에 들어가면, 그 원자의 회전을 일으키고 원子的 전류를 생성한다. 빛의 주파수가 원子の 진동 주파수와 일치하면, 효과가 증폭되어, 상당한 자성이 생성된다.

레이저 빛의 증가하는 사용

레이저 빛의 사용은 급격히 증가하고 있다. 이번 주에, 과학자들은 새로운 발견을 하였다. 집중된 레이저 빔은 고체 물질의 자성 상태를 변경할 수 있으며, 이는 초고속 컴퓨팅 메모리에서巨大한 잠재력을 가지고 있다.

레이저 기술 시장의 규모는 2020년 현재 20억 달러에서 10년 내에 29.5억 달러로 증가할 것으로 예상된다. 이는 레이저의 다양한 산업에서巨大한 잠재력을 가지고 있기 때문이다.

레이저 유도 자성의 미래 잠재력

ERC Synergy Gran과 Knut과 Alice Wallenberg 재단의 지원으로 진행된 이 연구는 물질의 집합적 순서가 물리학에서 가장 기본적이고 매혹적인 현상 중 하나이며, 동적 다중 자성은 자성의 출현을 설명하기 위해 도입되었다고 밝혔다.

“간단히 말해, 결정 내의 이온의 일관된 회전 운동은 회전 축을 따라 자성 모멘트를 유도한다”고 말했다.

이 메커니즘으로 인해, 팀은 대표적인 파라 전기 페로브스카이트 SrTiO3에서 자성을 시연할 수 있었다. 이러한 결과는 이미 여러 연구실에서 재현되었다.

그러나, 물질의 자성은 약 1조분의 1초 동안만 유지되었다. 이는 컴퓨터 메모리에서 적용하기에는 충분하지 않았다.

그러나, 이는 좋은 출발점이다. 과학자들은终于 이론을 실제로 적용할 수 있었다. 이는 기술적으로 중요한 잠재력을 가지고 있으며, 시간이 지남에 따라 더 많은 연구를 통해 실현될 것이다.

이 연구의 결과는 자성 제어의 새로운 경로를 보여준다. 이는 빛을 이용하여 격자 진동의 일관된 제어를 통해 매우 빠른 자성 스위치를 가능하게 할 수 있다.

또한, 이 연구는 스트론튬 티타네이트에서 시작되었지만, 미래에는 더 복잡한 물질을 탐색할 수 있을 것이다. 이러한 물질은 더 긴 기간 동안 자성을 유지할 수 있을 것이다. 여기서부터, 더 흥미로운 발견이 이루어질 것이다.

연구의 공동 저자 알렉산더 발라츠키(Alexander Balatsky) 교수는 다음과 같이 말했다.

“이것은 더 빠른 정보 전송과 더 나은 데이터 저장을 가능하게 할 수 있으며, 더 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨터를 가능하게 할 수 있다.”