Transcript 물리학의 탐색 수업자료 2

물리학의 탐색
이철의 교수
1.전자스핀(electron spin)
• 스핀과 자기능률 혹은 자기능률과 스핀
• 스핀(spin) 각운동량이 가진 비현실(?)성
• 궤도 운동과 각운동량 그리고 양자화
• 전자스핀에 관한 몇 가지 고찰
(Stern-Gerlach 실험)
• 전자와 물질의 자성
스핀과 자기능률
electron
m=9.2848 x 10-24 J/T
e=1.602 x 10-19 C
Who has seen the wind?
Neither I nor you;
But when the leaves are trembling
The wind is passing thro’
Who has seen the wind?
Neither I nor you;
But when the trees are bow down their head
The wind passing by.
Christna G. Rosetti
고유의 자기능률과 전하량을 가진다.( 실험적사실 )
=> 고유의 전하량과 각운동량을 가지고 있다 ( 그럴까?)
스핀(spin) 각운동량이 가진 비현실(?)성
전자 스핀과 같은 크기의 각운동량이 관측
되려면 전자와 같은 작은 입자의 회전 속도
는 광속 이상 이어야 한다.
-> 상대론적 이론전개가 필요
: P. Dirac (1929)
궤도 운동과 각운동량 그리고 양자화
물질의 이중성과 양자화
: 파동의 성질을 가지는
입자가 제한된 공간에 묶여
있게 되면 ?
-> 경계조건과 정상파의
형성 -> 양자화
그렇다면 궤도운동에 의한
각운동량은 ?
( hint : -p<q< p ,0 <f< 2p)
반 기수 스핀 ( S=1/2, 2/3, . .)
• 정수 스핀 :
반 기수 스핀 : 그릴 수 없다!! ( 두 바퀴를 돌려야 원상태가 되는 도형을 그려봐라)
전자스핀에 관한 몇 가지 고찰
Stern-Gerlach 실험
전자스핀에 관한 몇 가지 고찰
전자와 물질의 자성
• Pauli 배타 원리
• Hund 규칙
• 원자의 주기성
• 원자의 자성
2.스핀전자공학
• 자성체 · 자기기록매체
• 거대자기저항(GMR)과 Giga 대의 정보저장
• 스핀 의존 수송 현상
• 스핀전자공학 (spintronics)
자성체
• 자기 능률의 정렬
• 자기 구역
• 정보 저장
자기기록매체
• 자성체의 응용 - 녹음테이프에서 하드디스크
까지.
• 기본원리 : 여태까지 Faraday의 전자기유도 만
으로도 충분. 과연 더 할 일이 있을까?
• 그러나 최근 Giga byte 대의 hard disk의 출현
이 가능한 이유는?
거대 자기저항(GMR)의 발견
거대자기저항(GMR : Gaint Magnetoresistance) :
1992년 IBM 연구소
• 당장의 응용가능성과 그리고 또 다른 무엇?
• 전혀 다른 형태의 전자기술의 출현을 예
고
: 전자스핀이 전하흐름을 제어 혹은 그
반대의 경우 -> 스핀 전자공학 의 출현 가능
성 -> 최근 스핀의존 수송현상의 연구가 활발
해진 이유.
자기저항물질
• Colossal
magnetoresistance
(CMR)
• La1-xCaxMnO3
Structure
Phase diagram of LCMO and charge ordered
stripe
CO
Insulator
자기저항물질
( LCMO )
Phase separation model
• Phase separation
– High Tc superconductor
– Cu, Ni, Mn oxide system
– AF ground state
– Hole doping
– Magnetic inhomogeneity
Resistance ()
1.2
0.9
MR ratio (%)
Magnetoresistance (MR) in LCMO
0.6
Zero magnetic field
1T magnetic field
50
40
30
20
10
0
100 150 200 250 300
Temperature (K)
MR ratio
R / R(H)
= [R(0) - R(H)]/ R(H)
0.3
0.0
100
150
200
250
Temperature (K)
300
R(0) : resistance with no external field
R(H) : resistance with the external
field H
스핀전자공학 (Spintronics)
• 전하의 스핀 의존 수송 현상
• 소자
GMR read head, MRAM, Spin Transistor
Spin Quantum Computer
Technology Tree
Application of GMR and TMR
자기기억소자 (MRAM)
Performance of MRAM
자기기억소자 (MRAM)
Two Magnetization Orientations Corresponding to “0” and “1”
When the magnetization orientations are parallel to each other
resistance is low (R0), and otherwise is high (Rt ).
자기기억소자 (MRAM)
GMR 판독 헤드
The same systems used in HDDs. The magnetization orientation
of a HDD read head changes in accordance with the magnetic field
leakage from the recording medium.
Principle of magnetic recording
Magnetic recording process
Main issue of magnetic recording – Density
 The density of magnetic recording has been increasing at a
very fast rate
 60 % per year for the last several decades
 100 % per year from Dec. 1997
 150 % per year from mid –1998 in lab demos
56 Gbit/in2 (Fujitsu) in a lab demo
17 Gbit/in2 in production
 Common way to high density recording
 Reducing the thickness and grain size of media
GMR 판독 헤드