- IBM과 독일·유전자 레이저 과학 센터(CFEL)가 1비트로 단 12개의 원자를 사용하는 자기 데이터 기억소자를 개발 -
미국 IBM와 독일 자유전자 레이저 과학 센터(CFEL : Center for Free-Electron Laser Science)의 연구그룹이 세계 최소의 자기 데이터 기억소자를 개발하였다. 이 기억소자에는 정보의 기본 단위인 비트당 12개의 원자가 사용되고 있어 1바이트 전체(8비트)로 불과 96개 원자의 사용으로 끝난다. 거기에 비교하여 최신 하드 드라이브에서는 1바이트로 5억 개를 넘는 원자가 아직도 필요하게 되고 있다. CFEL은 Hamburg의 싱크로트론 연구 센터(DESY), 맥스 프랭크 연구소(MPG : Max-Planck-Society) 및 Hamburg 대학(University of Hamburg)의 공동출자 법인이다. DESY의 디렉터인 Edgar Weckert씨는 “CFEL과 그 파트너 등은 DESY의 캠퍼스에 폭넓은 분야에 있어 세계 톱 레벨의 연구를 실시하는 이노베티브(innovative)인 조직을 설립하였다”고 언급하였다.
이 나노미터 사이즈의 데이터 기억소자는 미국 캘리포니아 주 산호세에 있는 IBM의 Almaden Research Center에서 주사형 터널 현미경(STM: scanning tunneling microscope)을 이용하여 원자를 한 개씩 늘어놓아 제작되었다. 연구그룹은 한 열에 철(Fe) 원자가 6개로 규칙적인 패턴을 구축하였다. 그 열이 2열이면 1비트의 데이터를 기억시키는데 충분하다. 따라서 1바이트는 이 원자 6개를 가지는 열의 2열이 8조로 구성되어 그것은 불과 4 nm×16 nm의 면적을 사용할 뿐이다(nm : 나노미터는 밀리미터의 100만 분의 1). “그 기억 밀도는 최신의 하드 드라이브의 100배에 상당한다.”고 Science 잡지 게재 논문 저자인 CFEL의 Sebastian Loth씨는 설명한다. 이 나노 사이즈의 기억소자에서의 데이터 입출력은 STM를 이용하여 실시된다.
2열로 1조가 되고 있는 철 원자의 열에는 고전(古典) 비트의 0으로 1의 2개의 값을 나타내는 방법의 자성 상태가 존재한다. STM의 끝에서 출발하는 전기 펄스가 자계배위(磁界配位)를 있는 상태로부터 다른 상태로 반전시킨다. 현 시점에서는 이 나노 자석은 -268℃(5оK)의 극저온 하에서만 안정될 수밖에 할 수 없지만 미약한 펄스에 의해서 배위를 읽어내게 할 수 있다. “우리의 이 연구는 현재의 데이터 기억 기술을 상당히 진보시킨 것이다.”라고 Loth씨는 말한다.
연구그룹은 대략 200개의 원자를 가지고 있는 열이 실온에서 안정화하는 것을 기대하고 있지만 이 원자 자석을 데이터 기억에 이용하기에는 시간이 걸릴 것이라고 한다.
이번 연구에서는 데이터 기억 목적으로 `반 강자성`이라고 불리는 자성의 특수한 형태가 처음으로 채용되었다. 기존 하드 드라이브에 사용되고 있는 강자성과는 다르게 반 강자성의 물질 중에서 서로 이웃이 되는 원자의 스핀은 반대 방향의 위치로 나란하게 되어 물질은 벌크 레벨로 자성적으로 중립 상태가 된다. 이것은 서로 자기적으로 간섭하지 않고 반 강자성의 원자 열 끼리를 접근할 수 있는 것을 의미하고 있다. 이와 같이 1나노미터의 공간에 비트를 담을 수 있었던 것이다.
“전자 부품을 작게 하는 것을 생각했을 때에, 이것을 단일 원자의 영역으로 반입할 수 있을지 알고 싶었다.”고 Loth씨는 말한다. 그러나 이미 있는 부품을 작게 하는 대신에 연구팀은 정반대의 시도를 하였다. “그래서 제일 작은 것, 즉 단일 원자로부터 시작하여 단일 원자를 한 개씩 사용하여 데이터 기억 디바이스를 만들었다.”고 IBM 연구원인 Andreas Heinrich씨는 말한다. 여기서 요구되는 정밀도를 가지고 있는 연구 그룹은 세계에서도 한정되어 있다.
“고전 물리학의 영역에 이르려면 소자를 어느 정도의 크기에 만들 필요가 있는지 검증하였다.”고 Loth씨는 부연 설명하였다. Loth씨는 4개월 전 IBM로부터 CFEL으로 이동하였다. 12개의 원자가 사용하는 부재의 최저한계로서 부상하여 한계 양자 효과가 기억된 정보를 희미하게 하고 있다. 보다 고밀도인 데이터 기억에 이 양자효과를 어떻게든 이용할 수 없는지 라는 것이 집중적인 연구에 있어서의 과제이다.
이 연구그룹의 수많은 실험에 의해 세계 최소의 자기 데이터 기억소자가 만들었을 뿐만 아니라 고전 물리학으로부터 양자 물리학으로의 이행을 위한 이상적인 원안이 준비되었다. “철 원자열의 형상과 사이즈를 통해 양자효과를 제어하는 방법을 습득하였다.”고 Loth씨는 말한다. Hamburg에 있는 CFEL의 맥스 프랭크 연구 그룹인 `나노 일렉트릭 시스템의 다이내믹스` 및 독일 슈투트가르트에 소재하는 맥스 프랭크 고체 연구팀의 리더는 “그것에 의해, 어떻게 양자 메커니즘이 작용할까 조사할 수 있게 되었다. 고전 자석과 양자 자석의 차이는 무엇인가? 그 두 개의 영역의 경계에서는 자석은 어떠한 거동을 나타내는지? 이러한 몹시 흥미로운 질문에의 회답을 곧 얻을 수 있을 것이다.”라고 언급하였다.
Loth씨는 본 연구에 이상적인 환경조건을 가지고 있는 CFEL의 새로운 연구소에서 다양한 의문에 대한 대답의 탐구를 계속할 수 있다. “시간 분해 STM의 분야에 있어 세계 톱 레벨의 과학자인 Loth씨가 CFEL에 참가하였다. 그것이 원자계 및 분자계의 다이내믹스의 연구에 있어서의 우리의 기존 기술을 완벽하게 할 수 있을 것으로 생각한다.”고 CFEL의 리서치 코디네이터의 Ralf Kon씨는 강조한다
출처:Kisti
자료출처: nedo.go.jp
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