KR100947582B1 - 스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자 - Google Patents

스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자 Download PDF

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Abstract

스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자가 개시된다. 본 발명에 따른 스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자는 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 구비하며, 스핀파 도파로는 스핀파가 일 방향으로 진행되도록 가이드하며, 스핀파의 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 적어도 하나가 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 동종의 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 이용하여 스핀파의 주파수 제어가 손쉽게 가능하게 된다.
스핀파, 마그노닉 결정, 주파수, 도파로, 주기

Description

스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자{Magnonic crystal spin devices capable of controlling frequency of spinwaves}
본 발명은 스핀파 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자에 관한 것이다.
CMOS 기반의 정보 처리 방법론은 다음과 같은 이유에서 한계가 예상된다. 첫째, 집적도 증가에 따라 게이트 산화막의 두께가 점점 작아져야 하지만, 게이트 산화막의 두께가 0.7nm 정도가 되면 전자가 게이트 산화막을 투과하게 되어 게이트 산화막이 더 이상 절연막으로서의 기능을 하지 못하게 된다. 둘째, 집적도 증가를 위해 도선의 폭을 감소시키면 전류 밀도의 증가로 인해 도선의 단락이 발생된다.
CMOS 기반의 정보 처리 방법론을 대체하기 위해서 전자, 즉 전하의 이동에 의한 정보 처리 방법에서 탈피하여 전자가 가지고 있는 양자적 특성인 스핀을 이용한 정보 처리 방법에 대한 연구가 수행되고 있다. 예를 들어, 나노 자성체에서의 솔리톤(soliton)을 이용한 자기 양자 셀 방식 자동장치(MQCA) 소자와 정보의 전달과 처리에 자성체에 발생된 스핀파를 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다.
스핀파란 스핀들이 파동의 형태로 집단적인 거동을 하는 것을 일컫는 말이 다. 강자성체(ferromagnets), 반강자성체(antiferromagnets), 페리자성체(ferrimagnets) 등의 자성체에 에너지를 가하면 자성체 내부의 스핀들은 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction), 교환 상호작용(exchange interaction)과 같은 서로 간의 자기적 상호작용에 의해 세차운동을 하여 파동의 형태를 띠게 된다. 이 파동이 스핀파이다.
스핀파는 지배적인 상호작용에 따라 몇 가지로 나눌 수가 있다. 우선, 수십 ㎛에서 수 ㎝에 이르는 파장을 가지며, 쌍극자-쌍극자 상호작용이 지배적인 정자파(magnetostatic wave)가 있다. 다음으로, 수 ㎚ 이하의 파장을 가지며, 교환 상호작용이 지배적인 교환 스핀파(exchange spin wave)가 있다. 그리고 수 ㎚에서 수 ㎛에 이르는 파장을 가지며, 쌍극자-쌍극자 상호작용과 교환 상호작용이 경쟁적으로 작용하여 생성되는 쌍극자-교환 스핀파(dipole-exchange spin wave)가 있다.
이러한 스핀파를 발생시키는 방법은 다음과 같다. 예를 들어, 미국 등록 특허 제4,208,639호, 제4,316,162호 및 제5,601,935호에 의하면, YIG(yittrium iron garnet)와 같은 페리자성체의 박막 표면에 형성되어 있는 도선에 고주파의 교류 전류를 흘려 전자기파를 발생시키면, 발생된 전자기파와 페리자성체의 정자파와의 강한 결합에 의해 고주파의 정자파가 발생된다. 이러한 방법으로 발생된 정자파의 파장은 보통 10 ㎛에서 1 ㎜의 크기를 가지게 된다. 그리고 한국 공개 특허 2007-0036673호에 의하면, 자기 소용돌이(magnetic vortex), 자기 반-소용돌이(magnetic antivortex) 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하면, 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이(magnetic vortex), 자기 반-소용돌 이(magnetic antivortex) 스핀 구조의 중심부로부터 국소적으로 쌍극자-교환 스핀파가 발생된다. 그러나 상기 스핀파 발생 방법들에 의해 생성된 스핀파는 다양한 주파수 및 파장을 가진 스핀파들이 동시에 발생된다. 따라서 정보처리소자로 스핀파를 이용하기 위해서는 이용하려는(원하는) 주파수대 및 파장영역을 가지도록 스핀파를 선택할 수 있는 스핀파 제어 방법이 필요하다.
종래의 스핀파 제어 방법은 다음과 같다. S.A. Nikitov, Ph. Tailhades, C.S. Tsai, "주기적인 자기 구조에서의 스핀파-마그노닉 결정(Spin waves in periodic magnetic structures-magnonic crystals)", J.Magn.Magn.Magn., 236, 320 (2001)에는 이종의 자성박막이 주기적으로 배열되어 형성된 다중층(multilayer)을 이용한 스핀파 제어방법이 개시되어 있다. 상기 논문에 의하면, 자성체 내부에는 스핀파가 가질 수 있는 주파수 내에 밴드갭(bandgap)이 형성되어 특정 주파수 및 파장을 가진 스핀파가 자성체 내부를 통과하지 못하게 되어, 특정 주파수 및 파장을 가진 스핀파가 여과된다. 스핀파의 밴드갭의 위치 및 폭은 자성박막의 두께 및 구성하는 물질의 자기적 성질 등에 의해 달라지므로, 자성박막을 구성하는 물질 및 층의 두께 등을 조절하여 스핀파의 주파수 및 파장을 제어할 수 있게 된다.
그리고 M.Krawczyk and H. Puszkarski, "낮은 농도로 도핑된 마그네타이트에서의 스핀파의 주파수 갭에 대한 마그노닉 결정 이론(Magnonic crystal theory of the spin-wave frequency gap in low-doped manganites)", J. Appl. Phys., 100, 073905 (2006)에서는 자성체로 이루어진 기지(matrix)에 이종의 자성물질을 주기적으로 도핑(doping)함으로써 스핀파를 제어하는 방법이 개시되어 있다. 상기 논문에 의하면 기지 내에 이종의 자성물질을 도핑하면 스핀파가 가질 수 있는 주파수 내에 밴드갭이 형성된다. 그리고 도핑되는 물질을 조절함으로써 스핀파의 밴드갭의 위치 및 폭을 제어하는 것이 가능하고 이를 통해 스핀파의 주파수 및 파장을 제어할 수 있게 된다.
상술한 종래의 스핀파 제어 방법들은 자기적 성질이 다른 물질을 주기적으로 배치하여 특정 주파수가 존재하지 않는 스핀파 주파수 밴드갭을 형성하는 이른바 마그노닉 결정을 이용한다는 공통점을 지닌다. 하지만 이종의 자성 물질들을 주기적으로 배열한다는 점이 공정상 매우 어려우며 이종의 물질이 이루는 계면상태가 단일 물질로 이루어진 스핀격자의 규칙적인 배열처럼 매끄럽지 못해 정확한 스핀파의 제어가 불가능하다는 문제점이 있다. 또한 상기 기술에 의해 형성되는 밴드갭의 경우 그 폭이 매우 좁아 다양한 주파수대의 스핀파를 여과하는 데 있어 효율이 떨어진다는 문제점을 지니고 있다. 그리고 2차원 혹은 3차원으로 무한한 가상적 물질을 가정하고 있어 실제 스핀파 소자에서 사용될 수 있는 구조를 제시하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 간단한 구조로서 손쉽게 스핀파의 주파를 제어하는 것이 가능한 스핀파 소자를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 스핀파 소자는 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 구비하며, 상기 스핀파 도파로는 스핀파가 일 방향으로 진행되도록 가이드하며, 스핀파의 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 적어도 하나가 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부를 구비한다.
본 발명에 따르면, 동종의 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 이용하여 스핀파의 주파수 제어가 손쉽게 가능하게 된다. 동종의 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 이용하므로 스핀파 소자를 제조하기 위한 공정이 간단하다. 그리고 스핀파 도파로에 직접 단위체가 주기적으로 이루어진 마그노닉 결정부를 포함하는 스핀파 소자를 제조하면 전체적인 소자의 크기를 감소시킬 수 있어 소자의 집적률을 증가시킬 수 있고, 소자의 크기가 감소함에 따라 소자의 속도가 증가하게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 스핀파의 주파수 제어가 가능한 마그노닉 결정 스핀파 소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다 양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 스핀파 소자의 바람직한 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스핀파 소자(100, 200, 300)는 자성체로 이루어진 스핀파 도파로(110, 210, 310)를 구비하며, 스핀파 도파로(110, 210, 310)는 화살표로 나타낸 스핀파의 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 적어도 하나가 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부(120, 220, 320)를 구비한다. 마그노닉 결정부(120, 220, 320)는 스핀파가 일 방향으로 진행되도록 스핀파를 가이드한다. 스핀파 도파로(110, 210, 310)는 강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, 호이슬러 합금계 자성체, 자성 반도체 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 그리고 스핀파 도파로(110, 210, 310)는 외부 또는 다른 마그노닉 결정부로부터 스핀파가 주입되는 스핀파 주입부(130, 230, 330)와 마그노닉 결정부(120, 220, 320)에서 외부 또는 마그노닉 결정부로 스핀파를 방출하는 스핀파 방출부(140, 240, 340)를 구비할 수 있다.
이때 도 1은 상기 단면의 면적이 주기적으로 변화하는 스핀파 소자(100)를 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 단면의 형상이 주기적으로 변화하는 스핀파 소자(200)를 나타낸 도면이다. 그리고 도 3은 상기 단면의 중심선이 주기적으로 변화하는 스핀파 소자(300)를 나타낸 도면이다.
도 1의 스핀파 소자(100)에 구비된 마그노닉 결정부(120)의 단면의 형상은 모두 정사각형으로 동일하고 단면의 중심선도 동일하다. 그러나 단면의 면적이 주기적으로 변화한다. 도 2의 스핀파 소자(200)에 구비된 마그노닉 결정부(220)의 단면의 면적과 중심선은 모두 동일하다. 그러나 단면의 형상이 정사각형에서 원형으로 주기적으로 변화한다. 도 3의 스핀파 소자(300)에 구비된 마그노닉 결정부(320)는 단면의 형상은 모두 직사각형으로 동일하고 단면의 면적도 동일하다. 그러나 단면의 중심선이 A로 표시된 가상선과 B로 표시된 가상선으로 주기적으로 변화한다. 도 1 내지 도 3은 각각 상기 단면의 형상, 면적 또는 중심선 각각이 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부(120, 220, 320)를 구비한 스핀파 소자(100, 200, 300)를 나타내었다. 그러나 상기 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 둘 이상이 주기적으로 변화하는 경우도 유사하다.
상술한 바와 같이 스핀파 소자(100, 200, 300)를 구성하면 스핀파의 주파수 제어가 손쉽게 가능하게 된다.
스핀파와 같은 파동이 물성이 다른 주기적인 배열을 통과하면 주기적인 배열의 계면에서 반사와 투과를 일으키게 된다. 계면에서 반사된 파들은 서로 결맞게 되어 보강 간섭을 일으키게 된다. 그리고 결맞게 보강 간섭을 일으킨 파는 투과한 파와 중첩되어 특정한 주파수를 갖는 정상파가 형성된다. 이러한 방식으로 형성된 정상파는 주기적인 배열을 갖는 구조를 통과하지 못하게 된다. 이때 정상파가 갖는 주파수는 일정한 범위를 가지게 되는데 이 범위를 밴드갭이라고 한다. 결국 파가 주기적인 배열을 가는 구조를 통과하게 되면 밴드갭에 해당하는 주파수는 통과되지 못하고 여과된다. 밴드갭의 위치나 폭 등은 주어진 파가 진행하는 매개물의 특성과 주기성 등에 의해 결정된다.
이러한 주기적인 배열은 종래에는 이종의 자성체를 주기적으로 배열함으로써 얻을 수 있었다. 그러나 이종의 자성체가 주기적으로 배열된 물질 구조를 스핀파가 통과하는 경우에는 일차원적인 정상파가 형성되어 작은 밴드갭만이 형성된다. 그러나 본 발명에서와 같이 단면의 형상, 면적, 중심선 및 이들의 조합이 주기적으로 변화하는 구조를 스핀파가 통과하는 경우에는 2차원 또는 3차원적인 정상파가 형성되어 결과적으로 큰 밴드갭이 형성된다. 도 4a에 도시된 바와 같은 형상의 마그노닉 결정부(400)에 스핀파를 통과시키는 경우 형성되는 정상파를 도 4b에 나타내었다. 도 4b에 도시된 바와 같이 다양한 2차원 또는 3차원적인 정상파가 형성되어 큰 밴드갭이 형성됨을 알 수 있다.
마그노닉 결정부(120, 220, 320)에 주기적으로 배열되는 최소 반복 주기, 즉 한 주기에 해당하는 자성체를 단위체(150, 250, 350)라 한다. 이러한 단위체를 여러 가지 형상으로 하면 도 1 내지 도 3에 도시한 것 이외에 여러 형태의 마그노닉 결정부가 형성될 수 있다. 이를 도 5(a) 내지 도 5(h)에 나타내었다. 이때 마그노닉 결정부는 공정의 편의상 일 방향으로 길게 뻗은 평판 형상으로 이루어질 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(h)에 도시한 바와 같이 마그노닉 결정부는 여러 가지 형태로 형성할 수 있다. 예컨대, 단면의 형상과 면적을 길이방향으로 단속적으로 변하게 할 수도 있고 연속적으로 변하게 하여 마그노닉 결정부를 형성시킬 수도 있 다. 이와 같이 여러 가지 형태의 단위체를 갖는 마그노닉 결정부를 형성함으로써 스핀파의 주파수를 여러 가지 형태로 손쉽게 제어할 수 있다.
특히, 제조가 용이하며 주파수의 제어가 간단하도록 하기 위해서는 도 6에 도시한 바와 같이 직육면체 형상을 갖는 두 개의 자성체로 이루어진 단위체(600)를 이용하여 마그노닉 결정부를 형성시킬 수 있다. 도 6에 도시된 단위체(600)는 스핀파의 진행방향으로의 단면의 두께 및 너비가 다른 두 개의 자성체가 연결되어 있는 형태이다. 필요에 따라서 자성체의 개수는 두 개 외의 다른 개수로 할 수 있음은 물론이다.
스핀파 소자의 제조를 보다 간편하게 하기 위해서는 상기 단면의 두께는 일정하게 하고 너비만이 주기적으로 변하도록 마그노닉 결정부를 형성할 수 있다. 이러한 마그노닉 결정부의 단위체(700)를 도 7에 나타내었다. 도 7에 도시된 단위체(700)를 이용하여 마그노닉 결정부를 형성한 후 스핀파를 통과시킨 후 나타나는 결과를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
도 7은 두께가 t이고 너비가 w1이며 폭이 p1인 제1자성체(710)와 두께가 t이고 너비가 w2이며 폭이 p2인 제2자성체(720)가 연결되어 있는 형태의 단위체(700)를 나타낸 도면이다. 이때 제1자성체(710)와 제2자성체(720)은 동종의 물질로 이루어질 수 있다. 그리고 두께(t)는 1 내지 200nm일 수 있고, 스핀파 진행방향으로의 단위체(700)의 길이(P=p1+p2)는 5 내지 500nm일 수 있다. 단위체(700)의 두께(t)와 길이(P)를 상기와 같은 범위로 하면, 쌍극자 교환스핀파(dipole-exchange spin wave) 의 주파수를 제어할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 단위체(700)의 너비(w1, w2)와 폭(p1, p2)을 적절히 조절하여 마그노닉 결정부를 형성하면 쌍극자 교환 스핀파의 주파수를 간단하게 제어할 수 있다. 쌍극자 교환스핀파를 이용하는 스핀파 소자는 정자파(magnetostatic wave)를 이용하는 스핀파 소자에 비해 소자의 크기를 작게 할 수 있어 집적도를 증가시킬 수 있으며, 소자의 속도를 증가시킬 수 있다.
도 7에 도시된 단위체(700)를 이용하여 마그노닉 결정부를 형성한 후, 스핀파를 마그노닉 결정부에 통과시키고 도파로의 위치에 따른 스핀파의 주파수 모드를 전산모사로 관측한 결과를 도 8(a) 내지 도 8(d)에 나타내었다. 이때 단위체(700)의 두께(t)는 10nm, 제1자성체(710)의 너비(w1)는 30nm, 제2자성체(720)의 너비(w2)는 24nm로 하였다.
도 8(a)는 p1=p2=9nm인 경우이고, 도 8(b)는 p1=p2=10.5nm인 경우이며, 도 8(c)는 p1=p2=12nm인 경우이고, 도 8(d)는 p1=p2=15nm인 경우이다. 이때 마그노닉 결정부에 통과시킨 스핀파의 주파수 영역대는 0 ~ 100GHz이다. 도 8(a) 내지 도 8(d)에 도시된 바와 같이 처음에는 모든 0 ~ 100GHz의 모든 영역대의 스핀파가 통과하지만 마그노닉 결정부를 통과하게 되면 특정 영역대의 주파수를 가진 스핀파는 여과되어 통과하지 못하게 된다. 또한 폭(p1, p2)에 따라 여과되는 특정 영역대의 주파수가 다름을 알 수 있다. 이를 이용하게 되면 폭(p1, p2)을 조절하여 특정 영역대의 주파수를 여과시키는 방식으로 스핀파의 주파수를 손쉽게 제어할 수 있다.
도 9는 스핀파의 진행방향으로의 단위체(700)의 길이에 따른 주파수 밴드갭의 변화를 나타낸 도면이다. 단위체(700)의 길이(P)는 p1+p2로 나타낼 수 있으며, 이때 단위체(700)는 t=10nm, w1=30nm, w2=24nm, p1=p2인 것을 이용하였다. 그리고 검은색 테두리로 둘러싸인 흰색 부분(910, 920, 930, 940, 950)이 주파수 밴드갭을 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, 단위체의 길이(P)에 따라 주파수 밴드갭의 폭과 위치, 그리고 개수가 변하는 것을 확인할 수 있다. 결국 단위체의 길이(P)를 적절하게 조절하여 원하는 밴드갭의 폭과 위치를 형성시킬 수 있다.
도 10은 제1자성체(710)의 폭(p1)에 따른 주파수 밴드갭의 변화를 나타낸 도면이다. 단위체(700)의 길이(P)는 21nm로 일정하게 하였으며, 이때 단위체(700)는 t=10nm, w1=30nm, w2=24nm, p2=21nm-p1인 것을 이용하였다. 상술한 바와 같이 검은색 테두리로 둘러싸인 흰색 부분(1010, 1020)이 주파수 밴드갭을 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1자성체(710)의 폭(p1)의 변화에 따라 주파수 밴드갭 또한 변화하는 것을 알 수 있다. 단위체(700)의 길이(P)를 일정하게 하였으므로 제1자성체(710)의 폭(p1)이 변화하면 제2자성체(720)의 폭(p2) 역시 변화하게 된다. 즉 단위체(700)의 길이(P)가 동일하더라도 단위체(700)의 내부 형상이 변화함에 따라 주파수 밴드갭 또한 변화하는 것을 알 수 있다.
결국 도 8 내지 도 10의 결과로부터 제1자성체(710)의 폭(p1)과 제2자성 체(720)의 폭(p2)을 변화시킴으로써 원하는 주파수 대역을 여과할 수 있으며, 밴드갭의 폭과 위치를 원하는 대로 형성시킴을 알 수 있었다. 도시하지는 않았으나 제1자성체(710)의 너비(w1)와 제2자성체(720)의 너비(w2)를 변화시켜서도 밴드갭의 폭과 위치를 변화시킬 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 스핀파 소자에 있어서, 복수 개의 마그노닉 결정부를 구비한 스핀파 소자의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 11은 도 7에 도시된 단위체를 이용하여 형성된 마그노닉 결정부가 복수 개 구비된 스핀파 소자에 대해서 도시하고 설명하나 이에 한정된 것은 아니고, 스핀파의 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 적어도 하나가 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부를 이용하는 것도 가능하다. 즉 도 1 내지 도 3의 스핀파 소자(100, 200, 300)에 구비된 마그노닉 결정부나 도 5(a) 내지 도 5(h)에 도시한 마그노닉 결정부를 이용할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 스핀파 소자(1100)는 제1마그노닉 결정부(1110), 제2마그노닉 결정부(1120) 및 제3마그노닉 결정부(1130)를 구비하고, 3개의 마그노닉 결정부(1110, 1120, 1130)은 화살표와 같은 스핀파의 진행방향을 따라 배열된다. 필요에 따라서 2개 또는 4개 이상의 마그노닉 결정부를 구비할 수 있음은 물론이다. 3개의 마그노닉 결정부(1110, 1120, 1130)는 모두 동일한 단위체를 구비할 수도 있으나 다양한 밴드갭을 형성하기 위해서는 각기 다른 단위체를 구비하는 것이 바람직하다. 즉 단위체의 구조 자체가 다르거나 스핀파의 진행방향으로 의 단위체의 길이가 다르게 되도록 마그노닉 결정부가 형성될 수 있고, 둘 모두가 다르게 되도록 마그노닉 결정부가 형성될 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 스핀파 소자(1100)에 스핀파를 통과시키고 도파로의 위치에 따른 스핀파의 주파수 모드를 전산모사로 관측한 결과를 나타낸 도면이다. 이때 이용되는 제1마그노닉 결정부(1110)의 단위체는 도 7에 도시된 형태로서 t=10nm, w1=30nm, w2=24nm, p2=p1=12nm이다. 제2마그노닉 결정부(1120)의 단위체 역시 도 7에 도시된 형태로서 t=10nm, w1=30nm, w2=24nm, p2=p1=15nm이다. 제3마그노닉 결정부(1130)의 단위체 역시 도 7에 도시된 형태로서 t=10nm, w1=30nm, w2=24nm, p2=p1=30nm이다.
도 12를 참조하면, 참조번호 1210으로 표시된 부분은 제1마그노닉 결정부(1110)가 위치한 부분을 스핀파가 지나가는 경우에 해당하고, 참조번호 1220으로 표시된 부분은 제2마그노닉 결정부(1120)가 위치한 부분을 스핀파가 지나가는 경우에 해당하며, 참조번호 1230으로 표시된 부분은 제3마그노닉 결정부(1130)가 위치한 부분을 스핀파가 지나가는 경우에 해당한다. 이때 스핀파는 0 ~ 100GHz 영역대의 주파수를 가진 것을 이용하였다.
도 12에 도시된 바와 같이 서로 다른 형상의 단위체로 구성된 3개의 마그노닉 결정부(1110, 1120, 1130)는 서로 다른 주파수 영역대의 스핀파를 여과되며 이들을 일렬로 배열한 경우 여과되는 스핀파 주파수는 각 마그노닉 결정부(1110, 1120, 1130)에 의해 여과되는 스핀파 주파수의 합과 같다. 이는 다양한 마그노닉 결정부의 배열을 통해 다양한 영역대의 스핀파 제어가 가능함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 스핀파 소자의 바람직한 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 4a 내지 도 4b는 마그노닉 결정부에 형성된 정상파를 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a) 내지 도 5(h)는 본 발명에 따른 스핀파 소자에 있어서, 마그노닉 결정부의 바람직한 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 스핀파 소자에 있어서, 단위체의 바람직한 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 8(a) 내지 도 8(d)는 도 7에 도시한 단위체를 이용하여 마그노닉 결정부를 형성한 후, 스핀파를 마그노닉 결정부에 통과시키고 도파로의 위치에 따른 스핀파의 주파수 모드를 전산모사로 관측한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 단위체의 길이에 따른 주파수 밴드갭의 변화 그래프이다.
도 10은 도 7에 도시한 단위체의 제1자성체의 폭에 따른 주파수 밴드갭의 변화 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 스핀파 소자에 있어서, 복수 개의 마그노닉 결정부를 구비한 스핀파 소자의 바람직한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11에 도시한 스핀파 소자에 스핀파를 통과시키고 도파로의 위치에 따른 스핀파의 주파수 모드를 전산모사로 관측한 결과를 나타낸 도면이다.

Claims (10)

  1. 자성체로 이루어진 스핀파 도파로를 구비한 스핀파 소자에 있어서,
    상기 스핀파 도파로는 스핀파가 일 방향으로 진행되도록 가이드하며, 스핀파의 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상, 면적 및 중심선 중 적어도 하나가 주기적으로 변화하는 마그노닉 결정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로는 상기 마그노닉 결정부를 복수 개 구비하며,
    상기 복수 개의 마그노닉 결정부는 스핀파의 진행방향을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 마그노닉 결정부 중 적어도 두 개의 마그노닉 결정부는 한 주기에 해당하는 단위체의 구조가 서로 다른 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그노닉 결정부는 소정의 주파수 영역을 여과하기 위해 주기의 길이가 변화되는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로는,
    강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, 호이슬러 합금계 자성체 및 자성 반도체 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로는 일 방향으로 길게 뻗은 평판 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로는 스핀파 진행방향과 직교하는 방향의 단면의 형상이 직사각형인 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마그노닉 결정부는 상기 단면의 두께가 동일하고 너비가 다른 동종의 물질로 이루어진 두 개의 자성체가 스핀파 진행방향을 따라 일렬로 연결된 단위체가 주기적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단면의 두께는 1 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단위체의 스핀파 진행방향으로의 길이가 5 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
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