컴퓨팅
레이저를 이용한 비자성 물질의 자화가 현대 컴퓨터를 혁신할 수 있다
양자 컴퓨팅은 거대한 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 산업을 완전히 혁신하고 우리가 우주를 이해하는 방식을 바꿀 수 있습니다. 양자 역학의 원리를 컴퓨터 과학과 결합함으로써, 양자 컴퓨팅은 방대한 데이터를 병렬로 처리하고 여러 해결책을 탐색함으로써 복잡한 문제를 손쉽게 해결할 수 있게 합니다.
이러한 방식으로 양자 컴퓨터는 신약 개발, 기후 모델링, AI 능력 향상, 최적화 문제 해결에 도움을 줄 수 있습니다. 또한 기존 암호화 방식을 깨고 풀 수 없는 양자 암호 시스템을 만들 수 있어 사이버 보안 분야에서도 잠재력을 가지고 있습니다.
수년간 우리는 양자 우위, 오류 정정 코드, 클라우드 기반 양자 컴퓨터 등 양자 컴퓨팅에서 상당한 진전을 이루어 왔습니다. 그러나 이러한 진전은 대부분 실험실의 극저온에 한정되어 있었으며, 이제 변화가 일어날 수 있습니다.
현재, 5개 북유럽 국가와 스톡홀름 대학교, 베니스 카 포스카리 대학교가 협력한 북유럽 이론 물리학 연구소(NORDITA) 연구원들은 레이저 빛을 활용하여 실온에서 양자 현상을 성공적으로 입증했습니다. 처음으로 레이저 빛이 비자성 물질을 자성으로 만들 수 있었습니다.
이는 매우 중요합니다. 왜냐하면 자기 현상이 컴퓨터 작동 방식에 핵심적인 역할을 하기 때문입니다. 컴퓨터 메모리는 전압으로 자화된 소형 전자석을 사용해 ‘켜짐’ 또는 ‘꺼짐’이라는 이진 상태를 구현합니다. 원자와 전자가 자기장에 반응하는 방식이 전자 장치가 데이터를 읽고, 쓰고, 조작할 수 있게 합니다.
이번 새로운 연구에서 연구원들은 비자성 물질을 고주파 레이저 복사에 노출시키면 실온에서 어떻게 자기 효과를 생성할 수 있는지를 보여주었습니다.
이 새로운 돌파구는 보다 에너지 효율적이고 빠른 컴퓨터, 정보 전송 및 데이터 저장을 위한 길을 열 잠재력이 있습니다. 특히 절대 영도(-273°C) 근처에서 작동하는 양자 기술 기반 장치들의 전자공학을 혁신할 엄청난 가능성을 보여줍니다.
비자성 물질을 자성으로 만들기
최근 연구에서 연구원들은 스트론튬 티타네이트(SrTiO₃)를 사용했으며, 이는 화학적으로 매우 반응성이 높은 스트론튬(Sr)과 가벼운 티타늄(Ti)의 산화물입니다. 인간이 살 수 있는 온도에서 이 물질은 페롭스카이트 구조를 가지고 있으며 높은 유전 상수로 알려져 있습니다.
이 물질은 고주파 레이저 빛에 노출되어 원자들이 움직이고 이동하게 되었습니다. 그 결과 스트론튬 티타네이트 내부에 전류가 발생하여 자성을 띠게 되었습니다.
그들의 방법의 새로움에 대해 이야기하면서, 스톡홀름 대학교와 카 포스카리 대학의 물리학자이자 연구의 주 저자인 스테파노 보네티는 다음과 같이 말했습니다:
“빛이 이 물질의 원자와 전자를 원형으로 움직이게 하여 전류를 생성하고, 이를 냉장고 자석만큼의 자성을 만들게 하는 개념입니다.”
비자성 물질을 자성으로 만드는 것은 새로운 것이 아닙니다. 이전에도 예측되고 연구된 바 있습니다.
2015년, 네이처는 구리와 망간, 두 가지 일반적인 비자성 금속을 금속의 얇은 박막과 탄소 기반 유기 분자를 결합함으로써 자석으로 변환될 수 있다는 연구를 발표했습니다. 결과는 실온에서 얻어졌지만, 자성은 약했고 몇 일 후 사라졌습니다.
이 실험은 1930년대 레드 대학교의 이론 물리학자 에드먼드 스토너가 제시한 이론에 기반했으며, 그는 어떤 원소가 자성을 가질 수 있는지를 연구했습니다.
2020년에 한 연구팀은 각 물질을 층별로 제어된 성장 방식을 통해 비자성 산화물을 변형시켜 자성을 부여하는 데 성공했습니다. 같은 해, 다른 연구팀은 전기를 이용해 비자성 황철석(또는 철 황화물)의 자성을 켰습니다. 이 연구에 사용된 기술은 전해질 게이팅으로, 황철석을 전해질(이온성 액체)과 접촉시킨 뒤 1볼트 전압을 가해 양전하를 띤 분자를 이동시켜 측정 가능한 자기력을 생성했습니다. 전압을 끊으면 자성도 사라졌습니다.
빛을 이용해 물질의 특성을 변화시키는 연구는 오랫동안 상당한 과학적 관심을 받아왔습니다.
실제로, 자석과 자기장은 보통 순환 전류에 의해 생성됩니다. 2019년에 물리학자들은 비자성 금속 디스크에 선형 편광 빛을 비추어 순환 전류를 만들었고, 디스크 내부에 자성이 자발적으로 나타났습니다. 원칙적으로, 이 방법은 레이저 빛을 사용해 비철금속을 필요에 따라 자석으로 변환할 수 있다는 것입니다.
빛을 이용해 원자를 회전시키고 전류를 생성하기
거시적인 규모에서 회전에 의해 발생하는 자화를 바넷 효과라고 합니다. 이 효과 하에서는 물질 전체를 회전시켜 무질서한 자성 물질의 전자들의 고유 각운동을 정렬시켜 내부에 순자기장을 생성합니다.
새로운 실험에서는 원자 규모의 회전을 비자성 물질에 원형 편광 레이저 펄스를 이용해 구현했습니다. 이 펄스는 물질 내 원자를 회전시켜 집합적인 차별적 포논을 생성했으며, 이는 레이저 주파수와 공명하는 원형 편광 진동입니다.
이를 위해 원형 편광을 갖는 원적외선(FIR) 광원을 개발했으며, 이는 나선형 모양을 의미합니다. 이러한 편광을 가진 레이저 빛이 물질에 들어가면 원형 편광이 원자를 회전시켜 원자 전류를 생성함으로써 전달됩니다. 빛의 주파수가 원자의 진동과 일치하면 효과가 증폭되어 상당히 큰 자성이 생성됩니다.
따라서 보네티가 이끄는 국제 연구팀은 양자 물질인 스트론튬 티타네이트(SrTiO3)에 특이한 파장과 편광을 가진 강렬하지만 짧은 레이저 빔을 조사하여 자성을 유도했습니다. 800nm, 피코초 길이의 펄스가 100µm 원적외선 레이저에서 방출되었습니다.
특히, 탐침 펄스의 켐르 회전을 측정했습니다. 팀은 160K에서 360K까지 다양한 온도에서도 실험했으며, 280K(7°C)에서 가장 높은 반응을 보였습니다. 이때 펄스의 테라헤르츠 전기장이 물질의 첫 번째 광학 포논 모드와 공명했습니다.
네이처에 발표된 최신 연구에서 주 저자인 보네티는 실온에서 물질이 실제로 어떻게 자성을 갖게 되는지를 처음으로 명확히 유도하고 관찰할 수 있었다고 언급했습니다.
이 접근법을 통해 팀은 “보통 금속으로 만든 자석 대신, 많은 절연체에서도 자성 물질을 만들 수 있다”고 덧붙였습니다.
한편, 레이저 기술로 유도된 자화 정도는 물질의 자성에 따라 반사되는 빛이 달라지는 기존 효과를 이용해 측정되었습니다.
그들의 실험에서 측정 결과 물질이 자성을 갖게 되었음을 확인했습니다. 그러나 알려진 이론적 계산 방법에 따르면 유도된 자화의 크기가 예상보다 약 4자승(10,000배) 크게 나타났습니다. 이 차이는 물리학자들이 계산에서 과도하게 단순화했기 때문이라고 설명되었습니다.
또 다른 연구팀은 원형 편광 적외선 레이저 펄스를 이용해 비자성 물질에 일시적인 자기 효과를 유도했습니다.
네덜란드 라드부드 대학교와 일본 니혼 대학의 과학자들은 이를 수행했으며, 기존의 광대역 펄스 대신 FELIX 자유 전자 레이저에서 나온 매우 좁은 대역폭 펄스를 사용해 특정 격자 진동을 공명에 맞게 정확히 타깃팅했습니다. 그들은 생성된 자화를 이용해 자성 합금의 자성을 전환했습니다.
이 연구자들에 따르면, 포논 공명을 이용하면 자기 매체에 데이터를 쓰는 새로운 빠른 방법이 될 수 있습니다. 원형 편광 빛의 회전 방향을 바꾸면 자화 방향도 바꿀 수 있었습니다.
레이저 빛의 활용 증가
레이저 빛의 사용은 급속히 증가하고 있습니다. 이번 주에 과학자들이 새로운 발견을 했습니다: 집중된 레이저 빔이 고체 물질의 자기 상태를 변화시킬 수 있어 초고속 컴퓨팅 메모리에서 큰 잠재력을 보여줍니다.
이를 위해 과학자들은 빛의 자기장의 주파수와 진폭, 그리고 자기 물질의 에너지 흡수 특성 사이의 연관성을 설명하는 새로운 “원소” 방정식을 준비했습니다. 예루살렘 히브리 대학교 물리학 교수인 아미르 카푸아에 따르면:
“우리는 광학 자기 기록을 완전히 재고하고 아직 존재하지 않는 고밀도, 에너지 효율적이며 비용 효율적인 광학 자기 저장 장치로 나아갈 수 있게 합니다.”
이 기술은 향후 더 빠르고 효율적인 MRAM 부품으로 이어질 것으로 기대됩니다.
글로벌 레이저 기술 시장 규모는 현재 200억 달러에서 이번 십년이 끝나기 전에 295억 달러로 성장할 것으로 예측됩니다. 이러한 수치는 레이저가 다양한 산업에서 가진 광범위한 잠재력 때문입니다.
레이저는 방사선 방출을 자극해 빛의 빔을 생성하는 광학 장치입니다. 높은 강도, 일관성, 단색성, 방향성 등 독특한 특성 덕분에 레이저는 의료, 통신, 과학, 군사 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 그 결과 레이저 분야에서 많은 발명과 실험이 진행되고 있습니다.
최근 루마니아의 과학자들은 세계에서 가장 강력한 레이저 방출을 만들었으며, 이는 태양이 방출하는 힘의 1/10에 해당합니다. 부쿠레슈티 근처 센터에 설치되고 프랑스 기업 탈레스가 운영하는 이 레이저는 10페타와트(10경와트)의 출력을 가진 것으로 보고되었습니다. 피크는 약 25펨토초라는 매우 짧은 시간 동안, 폭 3마이크로미터만큼만 달성되었습니다.
과학자들은 이 레이저가 보건부터 우주까지 다양한 분야에서 혁신적인 발전을 이끌기를 기대하고 있습니다. 이 발명은 핵폐기물 처리와 우주 파편 정화에도 적용될 수 있습니다.
또 다른 최근 연구에서 RIKEN 물리학자들은 피크 전력이 6조 와트에 달하는 매우 짧은 레이저 펄스를 구현했습니다. 이는 6,000개의 원자력 발전소가 생산하는 전력과 동일합니다. 이 성과는 전자를 연구할 수 있는 어트시컨드 레이저 개발에 도움이 될 것입니다.
지난 해, 앙느 르윌리에, 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스는 어트시컨드(10⁻¹⁸초) 빛 펄스에 대한 연구로 물리학 노벨상을 수상했습니다.
이러한 초단 레이저 펄스는 매우 빠른 과정을 밝히는 데 도움이 되며, 과학자들에게 이를 포착하고 탐구할 강력한 수단을 제공합니다.
“전자의 움직임을 포착할 수 있게 함으로써 어트시컨드 레이저는 기초 과학에 큰 기여를 했습니다.”
– RIKEN 첨단 광학 센터의 다카하시 에이지
이 레이저는 의료 진단, 생물 세포 관찰, 새로운 물질 개발 등에 활용될 것으로 기대됩니다.
레이저가 다가오는 수십 년 동안 핵심적인 역할을 할 것이라는 내용을 보려면 여기를 클릭하세요.
레이저 유도 자기의 미래 잠재력
ERC 시너지 그랜트와 크누트·앨리스 발렌베르그 재단의 지원을 받은 이 연구는 실온에서 비자성 물질을 자성으로 만든 연구로, 물리학에서 물질의 집합적 질서는 가장 기본적이고 매혹적인 현상 중 하나이며, 동적 다중강자성을 통해 자화의 발생을 설명한다고 언급했습니다.
“간단히 말해, 결정 내 이온들의 일관된 회전 운동이 회전 축을 따라 자기 모멘트를 유도한다”고 밝혔습니다.
이 메커니즘 덕분에 팀은 전형적인 파라전기성 페롭스카이트 SrTiO3에서 자화를 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 이미 여러 다른 연구실에서도 재현되었습니다.
하지만 이 물질의 자성은 약 1조분의 1초 정도만 유지되었으며, 컴퓨터 메모리 적용에는 아직 충분히 오래 지속되지 않았습니다.
그럼에도 불구하고, 이는 과학자들이 이론을 실용화에 처음으로 성공한 훌륭한 출발점입니다. 이는 시간이 지나면서 더 많은 연구를 통해 실현될 중요한 기술적 응용 가능성을 가지고 있습니다.
연구에 따르면 실험 결과는 자성 제어를 위한 새로운 경로를 제시합니다. 예를 들어, 빛을 이용한 격자 진동의 일관된 제어를 통해 매우 빠른 자기 스위치를 구현하는 데 활용될 수 있습니다.
또한, 이번 연구가 스트론튬 티타네이트를 시작점으로 했지만, 향후 더 복잡한 물질들을 탐구하여 더 오랜 기간 자성을 유지할 수 있는 물질을 찾을 수 있을 것입니다. 이제 앞으로 더 흥미로운 발견을 통해 컴퓨팅 장치에 활용할 수 있는 길을 열어가야 합니다.
연구 저자인 NORDITA 물리학 교수 알렉산더 발라츠키는 다음과 같이 말했습니다:
“이는 더 빠른 정보 전송과 현저히 향상된 데이터 저장, 그리고 훨씬 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨터에 활용될 수 있습니다.”
따라서 결과가 유망하고 자성을 기반으로 한 전자 및 컴퓨팅 분야에 큰 개선을 가져올 수 있지만, 추가 연구가 필요합니다.
