스핀 아이스
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1. 개요
스핀 아이스는 희토류 원자의 스핀 방향이 특정 규칙(2 in-2 out)을 따르는 사면체 구조를 가진 물질이다. 이 물질은 절대 영도에서도 엔트로피가 0이 되지 않는 잔류 엔트로피를 보이며, 자기 모멘트의 무질서, 자기 단극자, 분수화 현상 등의 특성을 나타낸다. 스핀 아이스는 기하학적 좌절 자기 시스템으로, 앤더슨의 이징 모델과 유사하며, 다양한 물질(디스프로슘 티타네이트, 홀뮴 티타네이트 등)에서 관찰되었다. 또한, 인공 스핀 아이스는 메타물질로 활용되어 계산, 데이터 저장, 마이크로파 회로 등에 응용될 가능성을 보여주고 있다.
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- 자기 - 상자성
상자성은 외부 자기장이 없을 때는 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 약하게 자화되는 성질을 말하며, 짝을 짓지 않은 전자의 스핀으로 인해 영구 자기 모멘트를 가지는 상자성체가 이러한 특징을 보인다. - 자기 - 자석
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| 스핀 아이스 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 종류 | 자성체 |
| 발견 | 1990년대 후반 |
| 주요 구성 원소 | 희토류 금속, 전이 금속 |
| 결정 구조 | 파이로클로어 구조 |
| 자기적 특성 | 강하게 억제된 스핀, 잔류 엔트로피 |
| 유사 현상 | 물의 얼음 인공 스핀 아이스 전하 아이스 |
| 연구 역사 | |
| 최초 연구 | 자성 파이로클로어 물질에 대한 연구 (1990년대 후반) |
| 스핀 아이스 상태 발견 | 희토류 티탄산염에서 스핀 아이스 상태 발견 |
| 주요 연구 그룹 | Bramwell 그룹 Gingras 그룹 Castelnovo 그룹 Sondhi 그룹 |
| 물리적 특성 | |
| 스핀 방향 | 국소적인 사면체 정점 주위에서 "2-in, 2-out" 규칙을 따름 |
| 자기 홀극 | 자화된 스핀 아이스에서 자기 홀극과 같은 여기 발생 가능 |
| 잔류 엔트로피 | 절대 영도에서도 0이 아닌 엔트로피 값 유지 |
| 억제 | 강한 스핀-궤도 결합과 결정장 효과로 인해 스핀이 특정 방향으로 정렬되는 경향 |
| 응용 분야 | |
| 자기 기록 매체 | 고밀도 자기 기록 매체 개발 가능성 |
| 스핀트로닉스 소자 | 새로운 스핀트로닉스 소자 개발 가능성 |
| 양자 컴퓨팅 | 양자 정보 처리 및 양자 컴퓨팅 연구 |
| 관련 연구 | |
| 인공 스핀 아이스 | 인위적으로 설계된 나노 자석 배열에서 스핀 아이스 거동 구현 |
| 전하 아이스 | 전기 쌍극자를 사용하여 스핀 아이스와 유사한 거동 구현 |
| 양자 스핀 아이스 | 양자 효과가 중요한 역할을 하는 스핀 아이스 시스템 연구 |
2. 스핀 얼음의 구조 및 특성
물의 분자 구조는 H2O, 즉 수소 두 개와 산소 하나로 구성되어 있다. 물이 얼음으로 되면 산소 주위에 4개의 이웃하는 산소가 있고 그사이에 수소가 위치하는 사면체 구조를 가지게 된다. 이때 4개의 수소 중 2개는 중심 산소에 가깝게 붙어 있고 2개는 주위에 산소에 가깝게 있어서 보통 2in-2out 구조를 갖는다고 말한다. 스핀 얼음은 같은 사면체 구조를 가지지만 수소 양성자가 아니라 희토류 원자의 스핀 방향이 중심을 향해 2 in-2 out 구조를 가지고 있다.
이 물질의 가장 특이한 성질은 현재의 기술로 최대한 온도를 낮추어도(30mK) 엔트로피가 0이 되지 않는다는 점(잔류 엔트로피)이다. 이것은 열역학 제3법칙에 위배된다.[5] 1935년 라이너스 폴링은 절대 영도에서도 물 얼음 속의 수소 원자가 무질서한 상태로 남아 있을 것이라고 언급했다. 즉, 온도를 0도로 냉각시켜도 잔여 엔트로피, 즉, 고유한 무작위성을 갖게 된다는 것이다. 이는 일반적인 물 얼음의 육각형 결정질 구조가 네 개의 이웃하는 수소 원자를 가진 산소 원자를 포함하고 있기 때문이다. 폴링의 발견은 비열 측정으로 확인되었지만, 순수한 물 얼음 결정은 특히 만들기가 어렵다.[5]
필립 워렌 앤더슨은 1956년에 모서리를 공유하는 사면체의 파이로클로어 격자에 있는 좌절된 이징 모형 반강자성체 문제와 폴링의 물 얼음 문제 간의 연관성을 언급했다.[6] 스핀 아이스로 확인된 최초의 물질은 파이로클로어 Dy₂Ti₂O₇(디스프로슘 티타네이트), Ho₂Ti₂O₇(홀뮴 티타네이트)였다.[7] 또한 Dy₂Sn₂O₇(디스프로슘 스태네이트) 및 Ho₂Sn₂O₇(홀뮴 스태네이트)가 스핀 아이스라는 설득력 있는 증거가 보고되었다.[8] 자기 Er³⁺ 이온이 모서리로 연결된 사면체에 위치하는 스피넬인 CdEr₂Se₄ 또한 스핀 아이스 거동을 나타낸다.[9]
스핀 아이스 물질에서 자기 이온의 자기 모멘트는 매우 낮은 온도에서도 무작위적인 무질서를 보인다. 열용량의 넓은 최대값은 상전이에 해당하지 않으며, Dy₂Ti₂O₇에서 약 1K에서 두 개는 인, 두 개는 아웃 규칙이 위반되는 사면체의 수의 급격한 변화를 나타낸다. 규칙이 위반되는 사면체는 단극이 존재하는 위치이다. 수학적으로 스핀 아이스 구성은 닫힌 오일러 경로로 설명할 수 있다.[10][11]
2. 1. 얼음 규칙과 스핀 얼음
물의 분자 구조는 H2O, 즉 수소 두 개와 산소 하나로 구성되어 있다. 물이 얼음으로 되면 산소 주위에 4개의 이웃하는 산소가 있고 그사이에 수소가 위치하는 사면체 구조를 가지게 된다. 이 4개의 수소 중 2개는 중심 산소에 가깝게 붙어 있고 2개는 주위에 산소에 가깝게 있어서 보통 2in-2out 구조를 갖는다고 말한다. 스핀 얼음은 같은 사면체 구조를 가지지만 수소 양성자가 아니라 희토류 원자의 스핀의 방향이 중심을 향해 2 in-2 out 구조를 가지고 있다.[5]이 물질의 가장 특이한 성질은 현재의 기술로 최대한 온도를 낮추어도(30mK) 엔트로피가 0이 되지 않는다는 점(잔류 엔트로피)이다. 이것은 열역학 제3법칙에 위배된다.
1935년 라이너스 폴링은 절대 영도에서도 물 얼음 속의 수소 원자가 무질서한 상태로 남아 있을 것이라고 언급했다. 즉, 온도를 0도로 냉각시켜도 잔여 엔트로피, 즉, 고유한 무작위성을 갖게 된다는 것이다. 폴링의 발견은 비열 측정으로 확인되었지만, 순수한 물 얼음 결정은 특히 만들기가 어렵다.[5]
스핀 아이스는 규칙적인 모서리로 연결된 자기 이온의 사면체로 구성된 물질로, 각 이온은 0이 아닌 자기 모멘트를 가지며, 종종 "스핀"으로 축약되며, 결정 구조를 만드는 각 사면체에 대해 저에너지 상태에서 "두 개는 인, 두 개는 아웃" 규칙을 충족해야 한다(그림 2 참조). 이는 물 얼음의 두 개는 가깝고 두 개는 멀리 있는 규칙과 매우 유사하다. 특정 스핀 아이스 물질에 따라 스핀 아이스 물질의 큰 단결정을 만드는 것이 물 얼음 결정을 만드는 것보다 일반적으로 훨씬 쉽다. 또한, 스핀 아이스 시스템에서 외부 자기장과의 자기 모멘트의 상호 작용을 유도하기가 쉬워 잔여 엔트로피가 외부 영향에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지 탐구하는 데 물 얼음보다 스핀 아이스가 더 적합하다.
필립 워렌 앤더슨은 이미 1956년에[6] 모서리를 공유하는 사면체의 파이로클로어 격자에 있는 좌절된 이징 모형 반강자성체 문제와 폴링의 물 얼음 문제 간의 연관성을 언급했지만, 실제 스핀 아이스 물질은 40년 후에야 발견되었다.[7] 스핀 아이스로 확인된 최초의 물질은 파이로클로어 Dy₂Ti₂O₇(디스프로슘 티타네이트), Ho₂Ti₂O₇(홀뮴 티타네이트)였다. 또한 Dy₂Sn₂O₇(디스프로슘 스태네이트) 및 Ho₂Sn₂O₇(홀뮴 스태네이트)가 스핀 아이스라는 설득력 있는 증거가 보고되었다.[8] 이 네 가지 화합물은 희토류 파이로클로어 산화물 계열에 속한다. 자기 Er³⁺ 이온이 모서리로 연결된 사면체에 위치하는 스피넬인 CdEr₂Se₄ 또한 스핀 아이스 거동을 나타낸다.[9]
스핀 아이스 물질은 물질이 매우 낮은 온도에 있을 때조차 자기 이온의 모멘트 방향에 무작위적인 무질서가 나타나는 것이 특징이다. 교류(AC) 자기 감수율 측정은 비열이 최대값을 나타내는 온도보다 약간 낮은 온도로 온도가 낮아짐에 따라 자기 모멘트가 동적으로 냉각되는 증거를 발견했다. 열용량의 넓은 최대값은 상전이에 해당하지 않는다. 오히려, 최대값이 발생하는 온도, Dy₂Ti₂O₇에서 약 1K는 두 개는 인, 두 개는 아웃 규칙이 위반되는 사면체의 수의 급격한 변화를 나타낸다. 규칙이 위반되는 사면체는 앞서 언급한 단극이 존재하는 위치이다. 수학적으로 스핀 아이스 구성은 닫힌 오일러 경로로 설명할 수 있다.[10][11]
2. 2. 잔류 엔트로피
물의 분자 구조는 H2O, 즉 수소 두 개와 산소 하나로 구성되어 있다. 물이 얼음으로 되면 산소 주위에 4개의 이웃하는 산소가 있고 그사이에 수소가 위치하는 사면체 구조를 가지게 된다. 이때 4개의 수소 중 2개는 중심 산소에 가깝게 붙어 있고 2개는 주위에 산소에 가깝게 있어서 보통 2in-2out 구조를 갖는다고 말한다. 스핀 얼음은 같은 사면체 구조를 가지지만 수소 양성자가 아니라 희토류 원자의 스핀 방향이 중심을 향해 2 in-2 out 구조를 가지고 있다.이 물질의 가장 특이한 성질은 현재의 기술로 최대한 온도를 낮추어도(30mK) 엔트로피가 0이 되지 않는다는 점(잔류 엔트로피)이다. 이것은 열역학 제3법칙에 위배된다.[5] 1935년 라이너스 폴링은 절대 영도에서도 물 얼음 속의 수소 원자가 무질서한 상태로 남아 있을 것이라고 언급했다. 즉, 온도를 0도로 냉각시켜도 잔여 엔트로피, 즉, 고유한 무작위성을 갖게 된다는 것이다. 이는 일반적인 물 얼음의 육각형 결정질 구조가 네 개의 이웃하는 수소 원자를 가진 산소 원자를 포함하고 있기 때문이다. 폴링의 발견은 비열 측정으로 확인되었지만, 순수한 물 얼음 결정은 특히 만들기가 어렵다.[5]
필립 워렌 앤더슨은 1956년에 모서리를 공유하는 사면체의 파이로클로어 격자에 있는 좌절된 이징 모형 반강자성체 문제와 폴링의 물 얼음 문제 간의 연관성을 언급했다.[6] 스핀 아이스로 확인된 최초의 물질은 파이로클로어 Dy₂Ti₂O₇(디스프로슘 티타네이트), Ho₂Ti₂O₇(홀뮴 티타네이트)였다.[7] 또한 Dy₂Sn₂O₇(디스프로슘 스태네이트) 및 Ho₂Sn₂O₇(홀뮴 스태네이트)가 스핀 아이스라는 설득력 있는 증거가 보고되었다.[8] 자기 Er³⁺ 이온이 모서리로 연결된 사면체에 위치하는 스피넬인 CdEr₂Se₄ 또한 스핀 아이스 거동을 나타낸다.[9]
스핀 아이스 물질에서 자기 이온의 자기 모멘트는 매우 낮은 온도에서도 무작위적인 무질서를 보인다. 열용량의 넓은 최대값은 상전이에 해당하지 않으며, Dy₂Ti₂O₇에서 약 1K에서 두 개는 인, 두 개는 아웃 규칙이 위반되는 사면체의 수의 급격한 변화를 나타낸다. 규칙이 위반되는 사면체는 단극이 존재하는 위치이다. 수학적으로 스핀 아이스 구성은 닫힌 오일러 경로로 설명할 수 있다.[10][11]
2. 3. 기하학적 좌절
라이너스 폴링은 절대 영도에서도 물 얼음 속의 수소 원자가 무질서한 상태로 남아 잔여 엔트로피를 가질 것이라고 언급했다.[5] 이는 일반적인 물 얼음의 육각형 결정질 구조에서 각 산소 원자에 인접한 두 개의 수소 원자는 가깝고, 다른 두 개는 멀리 떨어져 있는 "두 개는 가깝고 두 개는 멀리" 얼음 규칙 때문이다.스핀 아이스는 규칙적인 모서리로 연결된 자기 이온의 사면체로 구성된 물질로, 각 이온은 0이 아닌 자기 모멘트 (스핀)를 가지며, 저에너지 상태에서 각 사면체에 대해 "두 개는 인, 두 개는 아웃" 규칙을 충족해야 한다(그림 2 참조). 이는 물 얼음의 "두 개는 가깝고 두 개는 멀리" 규칙과 유사하며, 스핀 아이스 시스템에서도 잔여 엔트로피가 나타난다. 스핀 아이스 물질은 물 얼음 결정보다 큰 단결정을 만들기 쉽고, 외부 자기장과의 상호 작용을 유도하기 쉬워 잔여 엔트로피 연구에 더 적합하다.
필립 워렌 앤더슨은 1956년에 파이로클로어 격자에 있는 좌절된 이징 모형 반강자성체 문제와 폴링의 물 얼음 문제 간의 연관성을 언급했다.[6] 스핀 아이스로 확인된 최초의 물질은 파이로클로어 Dy₂Ti₂O₇(디스프로슘 티타네이트), Ho₂Ti₂O₇(홀뮴 티타네이트)였다.[7] Dy₂Sn₂O₇(디스프로슘 스태네이트) 및 Ho₂Sn₂O₇(홀뮴 스태네이트)도 스핀 아이스라는 증거가 보고되었다.[8] 이들은 희토류 파이로클로어 산화물 계열에 속한다. 자기 Er³⁺ 이온이 모서리로 연결된 사면체에 위치하는 스피넬인 CdEr₂Se₄ 또한 스핀 아이스 거동을 나타낸다.[9]
스핀 아이스 물질은 매우 낮은 온도에서도 자기 이온 모멘트 방향에 무작위적인 무질서가 나타난다. 자기 감수율 측정 결과, 비열이 최대값을 나타내는 온도보다 약간 낮은 온도에서 자기 모멘트가 동적으로 냉각되는 현상이 발견되었다. 열용량의 넓은 최대값은 상전이가 아니며, Dy₂Ti₂O₇에서 약 1K에서 발생하는 이 최대값은 "두 개는 인, 두 개는 아웃" 규칙이 위반되는 사면체 수의 급격한 변화를 나타낸다. 규칙이 위반되는 사면체는 단극이 존재하는 위치이다. 스핀 아이스 구성은 닫힌 오일러 경로로 설명할 수 있다.[10][11]
3. 스핀 얼음과 자기 단극
스핀 아이스는 기하학적 좌절 자기 시스템으로, 앤더슨의 이징 모델과 달리,[6] 좌절된 강자성체이다. 스핀 아이스에서 강자성 상호 작용은 결정장으로부터의 강한 국소 자기 이방성에 의해 좌절된다. 근접 이웃 교환이 아닌, 장거리 자성 정전기적 쌍극자-쌍극자 상호 작용이 좌절과 2-in, 2-out 규칙을 유발하여 스핀 아이스 현상을 이끈다.[12][13]
2-in, 2-out 상태의 사면체에서 자화 장은 발산이 없는 상태이다. 즉, 사면체 안으로 들어오는 "자화 강도"와 나가는 양이 같다(그림 3 참조). 가우스 정리(Ostrogradsky의 정리라고도 함)에 따르면, 장의 0이 아닌 발산은 "전하"에 의해 발생하며, 스핀 아이스에서 이 전하는 2-in, 2-out 규칙을 위반하는 모노폴이다.[2][3][4]
2009년 가을, 연구자들은 스핀 아이스에서 예측된 모노폴과 유사한 저에너지 준입자의 실험적 관찰을 보고했다.[2] 티탄산 디스프로슘 스핀 아이스 후보 단결정을 0.6–2.0K 온도 범위에서 조사한 결과, 중성자 산란을 통해 자기 모멘트가 디랙 끈과 유사한 얽힌 튜브형 번들로 정렬됨이 밝혀졌다. 각 튜브 끝의 결정 결함에서 자기장은 모노폴처럼 보이며, 인가된 자기장으로 끈의 밀도와 방향 제어가 가능했다. 이 준입자 기체로 물질의 열용량 설명도 제시되었다.[14][15]
티탄산 디스프로슘과 홀뮴에서 자기 모노폴의 유효 전하 ''Q''('''그림 3''' 참조)는 대략 5 ''μ''B/옹스트롬 (보어 마그네톤/옹스트롬)이다.[2] 스핀 아이스의 기본 구성 요소는 자기 쌍극자이므로, 모노폴 출현은 분수화 현상의 예시이다.
티탄산 디스프로슘과 티탄산 홀뮴 스핀 아이스 물질의 자기 모멘트는 "고전" 통계 역학으로 설명되며, 양자 효과는 약하다.[16] 현재 양자 스핀 아이스에 대한 연구가 진행 중이며,[17] 프라세오디뮴(Pr), 터븀(Tb), 이터븀(Yb) 등이 후보 물질이다.[17][18] 양자 스핀 아이스는 양자 스핀 액체를 품을 수 있으며, 이는 출현 현상의 예로 양자 전기역학(QED)과 유사한 이론으로 설명될 수 있다.[19][20][21]
3. 1. 자기 단극의 발견
스핀 아이스는 기하학적 좌절 자기 시스템으로, 앤더슨의 이징 모델과 달리,[6] 좌절된 강자성체이다. 스핀 아이스에서 강자성 상호 작용은 결정장으로부터의 강한 국소 자기 이방성에 의해 좌절된다. 근접 이웃 교환이 아닌, 장거리 자성 정전기적 쌍극자-쌍극자 상호 작용이 좌절과 2-in, 2-out 규칙을 유발하여 스핀 아이스 현상을 이끈다.[12][13]
2-in, 2-out 상태의 사면체에서 자화 장은 발산이 없는 상태이다. 즉, 사면체 안으로 들어오는 "자화 강도"와 나가는 양이 같다(그림 3 참조). 가우스 정리(Ostrogradsky의 정리라고도 함)에 따르면, 장의 0이 아닌 발산은 "전하"에 의해 발생하며, 스핀 아이스에서 이 전하는 2-in, 2-out 규칙을 위반하는 모노폴이다.[2][3][4]
2009년 가을, 연구자들은 스핀 아이스에서 예측된 모노폴과 유사한 저에너지 준입자의 실험적 관찰을 보고했다.[2] 티탄산 디스프로슘 스핀 아이스 후보 단결정을 0.6–2.0K 온도 범위에서 조사한 결과, 중성자 산란을 통해 자기 모멘트가 디랙 끈과 유사한 얽힌 튜브형 번들로 정렬됨이 밝혀졌다. 각 튜브 끝의 결정 결함에서 자기장은 모노폴처럼 보이며, 인가된 자기장으로 끈의 밀도와 방향 제어가 가능했다. 이 준입자 기체로 물질의 열용량 설명도 제시되었다.[14][15]
티탄산 디스프로슘과 홀뮴에서 자기 모노폴의 유효 전하 ''Q''('''그림 3''' 참조)는 대략 5 ''μ''B/옹스트롬 (보어 마그네톤/옹스트롬)이다.[2] 스핀 아이스의 기본 구성 요소는 자기 쌍극자이므로, 모노폴 출현은 분수화 현상의 예시이다.
티탄산 디스프로슘과 티탄산 홀뮴 스핀 아이스 물질의 자기 모멘트는 "고전" 통계 역학으로 설명되며, 양자 효과는 약하다.[16] 현재 양자 스핀 아이스에 대한 연구가 진행 중이며,[17] 프라세오디뮴(Pr), 터븀(Tb), 이터븀(Yb) 등이 후보 물질이다.[17][18] 양자 스핀 아이스는 양자 스핀 액체를 품을 수 있으며, 이는 출현 현상의 예로 양자 전기역학(QED)과 유사한 이론으로 설명될 수 있다.[19][20][21]
3. 2. 분수화 현상
스핀 아이스는 기하학적 좌절 자기 시스템으로, 강자성 상호 작용이 좌절된 특성을 보인다.[6] 이는 결정장으로부터의 강한 국소 자기 이방성에 의해 자기 모멘트가 사면체의 안쪽 또는 바깥쪽을 가리키도록 강제되기 때문이다. 특히, 근접 이웃 교환이 아닌, 장거리 자성 정전기적 쌍극자-쌍극자 상호 작용이 좌절과 2-in, 2-out 규칙을 유발하여 스핀 아이스 현상을 이끈다.[12][13]2-in, 2-out 상태의 사면체에서 자화 장은 발산이 없는 상태이다. 즉, 사면체 안으로 들어오는 "자화 강도"와 나가는 양이 같다. 이러한 상황은 장의 소스나 싱크가 없음을 의미한다. 가우스 정리에 따르면, 장의 0이 아닌 발산은 "전하"에 의해 발생하며, 스핀 아이스에서는 2-in, 2-out 규칙을 위반하는 모노폴에 해당한다.[2][3][4]
2009년 가을, 연구자들은 스핀 아이스에서 예측된 모노폴과 유사한 저에너지 준입자의 실험적 관찰을 보고했다.[2] 티탄산 디스프로슘 단결정을 이용한 중성자 산란 실험에서 자기 모멘트가 디랙 끈과 유사한 튜브형 번들로 정렬됨이 밝혀졌다. 튜브 끝의 결정 결함에서 자기장은 모노폴처럼 보이며, 인가된 자기장으로 끈의 밀도와 방향을 제어할 수 있었다. 이 준입자 기체로 물질의 열용량을 설명할 수 있다.[14][15]
티탄산 디스프로슘과 홀뮴에서 자기 모노폴의 유효 전하는 대략 5 보어 마그네톤/옹스트롬(μBÅ−1)이다.[2] 스핀 아이스의 기본 구성 요소는 자기 쌍극자이므로, 모노폴의 출현은 분수화 현상의 예이다.
자기 모멘트의 미시적 기원은 양자 역학적이지만, 티탄산 디스프로슘과 티탄산 홀뮴 스핀 아이스 물질의 자기 모멘트는 고전 통계 역학으로 효과적으로 설명된다.[16] 현재 양자 스핀 아이스에 대한 연구가 진행 중이며,[17] 양자 스핀 액체를 품을 수 있다는 점에서 관심이 높다.[19] 양자 스핀 아이스의 저온 및 저에너지 특성 이론[20]은 양자 전기역학(QED) 이론과 유사하며, 이는 출현의 한 예이다.[21]
4. 양자 스핀 얼음
4. 1. 양자 스핀 액체
4. 2. 출현 현상
5. 인공 스핀 얼음
인공 스핀 아이스는 주기적이고 비주기적인 격자에 배열된 결합된 나노 자석으로 구성된 메타물질이다.[22] 이러한 시스템은 좌절, 출현하는 자기 단극자 및 상 전이와 같은 다양한 현상의 실험적 연구를 가능하게 했다. 또한 인공 스핀 아이스는 재 프로그래밍 가능한 마그논 결정체로서의 잠재력을 보여주며, 빠른 동역학을 위해 연구되어 왔다. 준결정 시스템, 3차원 구조뿐만 아니라 이방성 및 차단 온도를 수정하기 위한 다양한 자기 재료를 포함한 다양한 형상이 탐구되었다.
예를 들어, 고체-액체 상 변화 물질의 방울 2차원 격자로 구성된 고분자 자기 복합 재료는 각 방울에 단일 자기 쌍극자 입자가 포함되어 있으며, 방울의 용융점 이상에서 인공 스핀 아이스를 형성하고 냉각 후 낮은 벌크 잔류 자화율을 갖는 스핀 글래스 상태를 형성한다. 이러한 스핀 아이스에서 2차원 자기 와류의 자발적인 출현이 관찰되었으며, 이러한 와류 형상은 외부 벌크 잔류 자화율과 상관관계가 있었다.[23]
이 분야의 향후 연구에는 제조 및 특성 분석 방법의 추가 개발, 새로운 형상 및 재료 조합의 탐구, 계산,[24] 데이터 저장, 재구성 가능한 마이크로파 회로에 대한 잠재적 응용이 포함된다.[25] 2021년 한 연구에서는 인공 스핀 아이스를 사용하여 저수지 컴퓨팅을 시연하여 인공 스핀 아이스의 복잡한 자기 동역학을 사용하여 다양한 계산 작업을 해결했다.[26] 2022년, 또 다른 연구에서는 잠재적으로 저전력 소비로 새로운 고속 컴퓨터에 사용할 수 있는 인공 카고메 격자 스핀 아이스를 구현했다.[27]
5. 1. 메타물질로서의 응용
인공 스핀 아이스는 주기적이고 비주기적인 격자에 배열된 결합된 나노 자석으로 구성된 메타물질이다.[22] 이러한 시스템은 좌절, 출현하는 자기 단극자 및 상 전이와 같은 다양한 현상의 실험적 연구를 가능하게 했다. 또한 인공 스핀 아이스는 재 프로그래밍 가능한 마그논 결정체로서의 잠재력을 보여주며, 빠른 동역학을 위해 연구되어 왔다. 준결정 시스템, 3차원 구조뿐만 아니라 이방성 및 차단 온도를 수정하기 위한 다양한 자기 재료를 포함한 다양한 형상이 탐구되었다.고체-액체 상 변화 물질의 방울 2차원 격자로 구성된 고분자 자기 복합 재료는 각 방울에 단일 자기 쌍극자 입자가 포함되어 있으며, 방울의 용융점 이상에서 인공 스핀 아이스를 형성하고 냉각 후 낮은 벌크 잔류 자화율을 갖는 스핀 글래스 상태를 형성한다. 이러한 스핀 아이스에서 2차원 자기 와류의 자발적인 출현이 관찰되었으며, 이러한 와류 형상은 외부 벌크 잔류 자화율과 상관관계가 있었다.[23]
이 분야의 향후 연구에는 제조 및 특성 분석 방법의 추가 개발, 새로운 형상 및 재료 조합의 탐구, 계산,[24] 데이터 저장, 재구성 가능한 마이크로파 회로에 대한 잠재적 응용이 포함된다.[25] 2021년 한 연구에서는 인공 스핀 아이스를 사용하여 저수지 컴퓨팅을 시연하여 인공 스핀 아이스의 복잡한 자기 동역학을 사용하여 다양한 계산 작업을 해결했다.[26] 2022년에는 잠재적으로 저전력 소비로 새로운 고속 컴퓨터에 사용할 수 있는 인공 카고메 격자 스핀 아이스를 구현했다.[27]
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