KR102156337B1 - 자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템 - Google Patents

자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템 Download PDF

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KR102156337B1
KR102156337B1 KR1020200061145A KR20200061145A KR102156337B1 KR 102156337 B1 KR102156337 B1 KR 102156337B1 KR 1020200061145 A KR1020200061145 A KR 1020200061145A KR 20200061145 A KR20200061145 A KR 20200061145A KR 102156337 B1 KR102156337 B1 KR 102156337B1
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인용섭
이수용
김태현
민병욱
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Abstract

일 실시예에 관한 자기장 인가 장치는, 서로 이격하여 나란하게 배치되는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각에 전류를 인가하는 전원, 제어부 및 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체의 사이에 배치된 공진기 수용부를 포함하고, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각은 자기장을 발생시키는 코일, 코일의 말단에 연결되는 가이드 부재, 가이드 부재의 말단에 연결되는 자성체 마운트 및 자성체 마운트에 고정되는 자성체를 포함하고, 제어부는 전원으로부터 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.

Description

자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템{Device for applying a magnetic field and System comprising thereof}
본 출원에 의해 개시되는 발명은 자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템으로서, 마이크로파와 광파 간의 양자주파수 변환을 위한 자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템에 관한 것이다.
강자성체와 마이크로파 공진기를 이용한 스핀 모드(또는 키텔 모드)와 마이크로파 모드의 커플링 기술은 마이크로파 광자와 광학주파수 광자의 결맞은 상호 변환을 위해 발전되고 있는 기술이다. 마이크로파와 광파 간의 양자주파수 변환은 양자 레이더 개발을 위한 핵심 기술이다.
실시예들을 통해 해결하고자 하는 과제는 공급 전류에 대해 선형적인 자기장 변화뿐만 아니라 기울기를 가지는 자기장을 생성할 수 있는 자기장 인가 장치 및 자기장 인가 장치를 이용한 강자성체 스핀 모드와 마이크로파 공진기 모드 간의 양자 커플링 및 다중 모드 양자 주파수 변환이 가능한 자기장 인가 시스템을 제공하는데 있다.
해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 관한 에어로졸 생성 장치는, 서로 이격하여 나란하게 배치되는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각에 전류를 인가하는 전원, 제어부 및 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체의 사이에 배치된 공진기 수용부를 포함하고, 제어부는 전원으로부터 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
도한, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각은, 자기장을 발생시키는 코일, 코일의 말단에 연결되는 가이드 부재, 가이드 부재의 말단에 연결되는 자성체 마운트 및 자성체 마운트에 고정되는 자성체를 포함할 수 있다.
또한, 자기장 인가 장치는 공진기 수용부가 형성된 베이스 및 베이스의 상부에 배치되어 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체를 지지하는 지지부를 더 포함하고, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각의 코일은 서로 동축일 수 있다.
또한, 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체는 공진기 수용부를 기준으로 서로 대칭으로 배치될 수 있다.
또한, 제어부는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각에 인가되는 전류를 독립적으로 제어할 수 있다.
다른 실시예에 관한 자기장 인가 시스템은 상술한 어느 하나의 자기장 인가 장치 및 자기장 인가 장치의 공진기 수용부에 배치되는 공진기를 포함하고, 공진기는 본체, 본체에 형성되는 관통 개구 및 관통 개구 내에 배치된 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet) 단결정을 포함하고, 자기장 인가 장치의 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체의 사이에 공진기의 관통 개구가 배치될 수 있다.
또한, 공진기는 마이크로파 및 광파의 입력 및 출력을 받으며, 자기장 인가 장치로부터 발생된 자기장에 의해 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환을 발생시킬 수 있다.
또한, 공진기는 마이크로파의 입력 및 출력을 받을 수 있는 마이크로파 입출력부, 광파의 입력을 받을 수 있는 광파 입력부 및 주파수 변환된 광파가 출력되는 광파 출력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 공진기는 복수의 이트륨 철 가닛 단결정을 포함하고, 복수의 이트륨 철 가닛 단결정은 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 중 어느 하나로부터 다른 하나를 향하는 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
또한, 공진기는 본체의 3차원 치수에 따라 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환 대역이 조절될 수 있다.
또한, 제어부는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각에 전류를 상이하게 인가하여 공진기에 인가되는 자기장의 기울기를 조절할 수 있다.
또한, 자기장 인가 장치는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각의 코일의 온도를 센싱하는 온도 센서를 더 포함하고, 제어부는 온도 센서에 의해 센싱된 온도에 기초하여 자기장 발생량을 조절할 수 있다.
또한, 제어부는 공진기의 공진 주파수가 일정하도록 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 각각의 코일에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
상기 실시예들에 따르면, 자기장 인가 장치 및 이를 포함하는 자기장 인가 시스템은 서로 이격하여 나란하게 배치되는 한 쌍의 코일 조립체에 의해 공급 전류에 대해 선형적인 자기장 변화뿐만 아니라 기울기를 가지는 자기장을 생성할 수 있다. 이에 따라 강자성체(YIG)의 다중 마그논(스핀) 모드와 마이크로파 공진기 모드의 커플링과 다중 모드 양자 주파수 변환을 얻을 수 있다.
실시예들의 효과는 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 자기장 장치를 도시한 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 자기장 장치에 공급되는 전류에 따른 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 관한 자기장 인가 시스템을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 자기장 인가 시스템의 공진기를 도시한 사시도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 공진기의 TE101 모드에서 마이크로파 자기장 분포 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 4b는 도 3에 도시된 공진기의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4c는 도 3에 도시된 공진기의 위상 데이터 점들과 이에 따른 이론 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 자기장 인가 시스템의 자기장 인가 장치를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 자기장 장치에 공급되는 전류에 따른 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 도 5에 도시된 자기장 장치의 한 쌍의 코일 조립체에 동일한 전류를 인가했을 때 발생하는 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 자기장 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 도 5에 도시된 자기장 장치의 한 쌍의 코일 조립체에 상이한 전류를 인가했을 때 발생하는 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 자기장 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8c는 도 8a에 도시된 비대칭적인 자기장을 이용한 다중 마그논 모드 기반의 양자 주파수 변환의 개념도이다.
도 9는 도 2에 도시된 실시예에 관한 자기장 인가 시스템의 개념도이다.
도 10a는 도 9에 도시된 자기장 인가 시스템에서 전류에 의해 유도되는 자기장과 마이크로파 주파수의 함수로써 얻어진 2차원 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 10b는 도 9에 도시된 자기장 인가 시스템에서 각 자기장 오프셋 값들에 대응되는 자기장에서의 절단면 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 도 2에 도시된 공진기의 여기된 TE201 모드에서의 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 2에 도시된 공진기보다 더 두꺼운 두께의 공진기로부터 얻어진 각각의 모드들에 대한 자기장 분포를 도시한 도면들이다.
도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "-부", "-모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1a는 종래의 자기장 장치를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 자기장 장치에 공급되는 전류에 따른 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 1a를 참조하면 종래의 자기장 장치(10)는 솔레노이드 코일(11), 요크(12) 및 가이드(13)를 포함한다. 자기장 장치(10)에 배치되는 샘플(미도시)은 가이드(13)의 사이에 배치된다.
자기장 장치(10)는 솔레노이드 코일(11)과 샘플의 거리가 멀기 때문에, 실제로 샘플 위치에서 인가되는 자기장은 솔레노이드 코일(11)에서 만들어지는 자기장과 비교하여 10배 이상으로 감소하기 때문에 자기장 장치(10)는 자기장 인가가 효율적으로 이루어지지 않는 문제가 있다.
도 1b를 참조하면, 샘플 위치에서의 충분한 자기장 공급을 위해 솔레노이드 코일(11)의 권취 횟수(~3000)를 증가하는 경우, 솔레노이드 코일(11)에서 발생되는 열에 의하여 순철(pure iron)로 만들어진 요크의 저항값에 변화가 생기게 된다. 이에 따라 자기장 장치(10)에 공급되는 전류에 따른 자기장의 세기가 선형적으로 증가하지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 인가되는 자기장 값에 대한 예측성을 감소시킨다. 또한 이러한 비효율성으로부터 발생되는 열에 의한 온도 변화는 인가되는 자기장에 변화를 주기 때문에, 샘플의 YIG 단결정에 대한 공진 주파수의 흔들림을 유발하게 되는 문제가 있다.
도 2는 일 실시예에 관한 자기장 인가 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 자기장 인가 시스템(1000)은 공진기(100) 및 자기장 인가 장치(200)를 포함할 수 있다.
자기장 인가 시스템(1000)은 강자성체와 마이크로파 공진기를 이용한 스핀 모드(또는 키텔 모드)와 마이크로파 모드의 커플링 기술을 활용한다. 기본적으로 강자성체인 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet: YIG) 단결정을 마이크로파 공진기내의 AC 자기장 분포가 최대가 되는 지점에 고정하여, 마이크로파 공진 모드와 자성체 스핀 모드 간의 결맞은 상호작용으로부터 광파(마이크로파)를 마이크로파(광파)로 변환(역변환)할 수 있다.
마이크로파 공진기와 양자전자동역학(quantum electrodynamics) 효과에 의한 스핀 앙상블 사이의 커플링 해밀토니안은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112020051495516-pat00001
Figure 112020051495516-pat00002
(여기서
Figure 112020051495516-pat00003
와
Figure 112020051495516-pat00004
는 각각 마이크로파 공진기 모드와 스핀 모드를 나타내는 양자역학적 오퍼래이터이다.
Figure 112020051495516-pat00005
는 g-factor,
Figure 112020051495516-pat00006
는 보어 마그네톤, 그리고
Figure 112020051495516-pat00007
는 공진기 모드에서 마이크로파 자기장을 나타내며,
Figure 112020051495516-pat00008
와
Figure 112020051495516-pat00009
은 각각 스핀과 전체 스핀 개수를 나타낸다.)
자기장 인가 시스템(1000)에 사용되는 이트륨 철 가닛은 강자성체 물질로써, 스핀 밀도가
Figure 112020051495516-pat00010
으로 다른 반자성체 스핀 앙상블이 가지는
Figure 112020051495516-pat00011
의 밀도 크기보다 매우 커서, 전자기파와 강한 커플링 효과를 얻을 수 있다. 이러한 공진기와 이트륨 철 가닛으로 구성된 자기장 인가 시스템(1000)에서 마이크로파 공진기 모드와 스핀 모드의 커플링을 제어하기 위해서는 외부로부터 DC 자기장을 인가함으로써, 외부 자기장 변화에 따른 공진기 주파수와 이트륨 철 가닛의 공진주파수를 얻어야 한다.
이트륨 철 가닛 내에는 수많은 스핀(철 원자핵 주변의 전자 스핀)들이 존재한다. 이때, 외부에서 걸어주는 정적 자기장의 크기에 따라 다양한 형태의 마그논 모드(스핀의 양자화된 진동 모드)가 존재하고, 각 모드 별로 공진 주파수가 상이하다. 따라서 이트륨 철 가닛에 더 큰 자기장을 걸어주면 더 높은 공진 주파수의 마그논 모드를 구현할 수 있다.
자기장 인가 시스템(1000)에서 자기장 인가 장치(200)는 공진기(100)에 마이크로파를 인가해주고 외부 자기장의 세기에 따라 이트륨 철 가닛의 지만 레벨을 변화시키게 된다. 이때 공진기 모드와 스핀 모드의 공진 주파수를 2차원 투과 스펙트럼으로 얻음으로써, 공진기 모드와 스핀 모드가 커플링 되어있음을 확인할 수 있다. 이러한 커플링 시스템의 투과 계수는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112020051495516-pat00012
(여기서
Figure 112020051495516-pat00013
는 마이크로파 공진기의 공진 주파수,
Figure 112020051495516-pat00014
은 내부 공긴기 손실, 그리고
Figure 112020051495516-pat00015
과
Figure 112020051495516-pat00016
는 각각 입출력 단자의 커플링 세기에 해당된다. 한편
Figure 112020051495516-pat00017
은 스핀 모드와 공진기의 커플링 세기를 나타내며,
Figure 112020051495516-pat00018
과
Figure 112020051495516-pat00019
은 각각 스핀 모드의 주파수와 선폭을 나타낸다. )
이하에서, 일 실시예에 관한 자기장 인가 시스템(1000)의 공진기(100) 및 자기장 인가 장치(200)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 도 2에 도시된 자기장 인가 시스템의 공진기를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 공진기(100)는 본체(110) 및 관통 개구(120), 마이크로파 입출력부(130) 및 광파 입력부(140)를 포함할 수 있다.
본체(110)는 도 3에 도시된 바와 같은 직육면체의 형상일 수 있으며, 구리(Cu)로 제작될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 형상 및 소재이며, 필요에 따라 본체(110)는 다른 형상 및 소재로 제작될 수 있다.
관통 개구(120)는 본체(110)의 중심부에 형성될 수 있다. 후술하는 자기장 인가 장치(200)의 자기장은 관통 개구(120)를 통과하여 형성될 수 있다. 도 3에는 도시되지 않았으나, 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet) 단결정이 관통 개구(120)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet) 단결정은 공진기(100) 내에서 자기장 분포가 가장 큰 지점에 위치할 수 있다.
또한, 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet) 단결정은 복수 개일 수 있다. 복수의 이트륨 철 가닛 단결정은 후술하는 자기장 인가 장치(200)의 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체 중 어느 하나로부터 다른 하나를 향하는 방향으로 나란하게 배치될 수 있다. 즉, 복수의 이트륨 철 가닛 단결정은 관통 개구(120)를 따라 나란하게 배치될 수 있다.
공진기(100)는 마이크로파 및 광파의 입력 및 출력을 받을 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 입출력부(130)는 마이크로파의 입력 및 출력을 받을 수 있으며, 광파 입력부(140)는 광파의 입력을 받을 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 공진기(100)는 주파수 변환된 광파를 출력하는 광파 출력부(미도시)를 포함할 수 있다.
도 4a는 도 3에 도시된 공진기의 TE101 모드에서 마이크로파 자기장 분포 시뮬레이션을 도시한 도면이고, 도 4b는 도 3에 도시된 공진기의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 4c는 도 3에 도시된 공진기의 위상 데이터 점들과 이에 따른 이론 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4c를 참조하면, 도 3에 도시된 공진기(100)에서 측정된 공진 주파수
Figure 112020051495516-pat00020
는
Figure 112020051495516-pat00021
로서, 시뮬레이션으로부터 얻어진 이론값
Figure 112020051495516-pat00022
과 거의 일치함을 알 수 있다. 마이크로파 입출력부(130)의 입력부 포트 및 출력부 포트 각각의 커플링 세기
Figure 112020051495516-pat00023
과
Figure 112020051495516-pat00024
는 각각
Figure 112020051495516-pat00025
와
Figure 112020051495516-pat00026
이며, 공진기(100) 내의 내부 손실률은
Figure 112020051495516-pat00027
으로 나타났다.
도 5는 도 2에 도시된 자기장 인가 시스템의 자기장 인가 장치를 도시한 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 자기장 장치에 공급되는 전류에 따른 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 자기장 인가 장치(200)는 제1 코일 조립체(210a), 제2 코일 조립체(210b), 베이스(220), 지지부(221) 및 공진기 수용부(222)를 포함한다.
제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)는 서로 이격하여 나란하게 배치될 수 있다. 베이스(220)는 자기장 인가 장치(200)의 각 구성 요소들을 지지하고 있다. 지지부(221)는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)를 지지함으로써 위치를 고정시킨다. 또한 공진기 수용부(222)는 베이스(220)에 형성되어 있으며, 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 사이에 배치되어 공진기(100)를 수용하는 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)는 공진기 수용부(222)를 기준으로 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 공진기(100)의 관통 개구(120)는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 사이에 위치할 수 있다.
한편, 도 5에는 도시하지 않았으나, 자기장 인가 장치(200)는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 각각에 전류를 인가할 수 있는 전원과, 전원으로부터 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)에 인가되는 전류를 제어할 수 있는 제어부를 포함할 수 있다.
제1 코일 조립체(210a)는 코일(211a), 가이드 부재(212a), 자성체 마운트(213a) 및 자성체(214a)를 포함한다. 코일(211a)은 전원으로부터 인가된 전류에 의해 자기장을 발생시킨다. 가이드 부재(212a)는 코일(211a)의 말단에 연결되어 코일(211a)에서 발생된 자기장을 전달한다. 자성체 마운트(213a)는 가이드 부재(212a)의 말단에 연결되어 있으며, 자성체(214a)를 고정하고 있다.
제2 코일 조립체(210b)는 제1 코일 조립체(210a)와 동일한 구성들을 포함하고 있으며, 전술한 바와 같이, 제1 코일 조립체(210a)와 서로 이격하여 나란하게 배치된다. 예를 들어 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)는 서로 동축으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 각각의 코일(211a, 211b)은 서로 동축일 수 있다.
이에 따라, 자기장 인가 장치(200)는 두 개의 코일(211a, 211b)을 공진기(100)의 위치로부터 대칭적으로 배치시킴으로써, 예를 들어 공진기(100)의 중심에 위치한 이트륨 철 가닛에 균일한 자기장을 인가시킬 수 있다.
한편, 도 5에는 도시하지 않았으나, 자기장 인가 장치(200)는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b) 각각의 코일(211a, 211b)의 온도를 센싱하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 자기장 인가 장치(200)의 제어부는 온도 센서에 의해 센싱된 온도에 기초하여 자기장 발생량을 조절할 수 있다.
제어부는 공진기(100)의 공진 주파수가 일정하도록 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b) 각각의 코일(211a, 211b)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 이때, 전류를 제어하는 것의 의미는 예를 들어, 코일(211a, 211b)에 인가되는 전류의 세기, 전류가 인가되는 시간 또는 주기 등을 제어하는 것을 의미할 수 있다.
전술한 바와 같이, 코일(211a, 211b)에 전류가 인가되면 열이 발생할 수 있으며, 이에 따라 코일(211a, 211b)의 온도가 변할 수 있다. 온도 변화는 코일에 의해 인가되는 자기장에 변화를 주어 공진기(100)의 이트륨 철 가닛 단결정의 공진 주파수의 흔들림을 유발하게 된다. 즉, 상술한 실시예와 같이 온도 센서에 의해 코일(211a, 211b)에 인가되는 전류를 제어함으로써, 자기장 인가 장치(200)는 자기장 발생량을 일정하게 유지시킬 수 있다. 이에 따라 자기장 인가 장치(200)는 공진기(100)의 이트륨 철 가닛 단결정의 공진 주파수 또한 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 자기장 인가 장치(200)의 공진기 수용부(222)의 위치(즉, 샘플 위치)에서 코일(211a, 211b)에 인가되는 전류에 따른 자기장의 세기가 도시된다. 도 1a에 도시된 자기장 장치(10)에서 공급되는 전류에 따른 발생되는 자기장의 세기를 나타낸 도 1b와 비교하면, 일 실시예에 관한 자기장 인가 장치(200)는 인가되는 전류에 따라 샘플 위치에서의 자기장이 선형적으로 증가되는 것을 알 수 있다.
한편, 자기장 인가 장치(200)의 제어부는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 각각에 인가되는 전류를 독립적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)에 동일한 전류를 가할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 각각에 상이한 전류를 인가할 수 있다. 자기장 인가 장치(200)의 제어부는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)의 각각에 상이한 전류를 인가함으로써, 공진기(100)에 걸리는 자기장의 기울기가 조절될 수 있다.
도 7a는 도 5에 도시된 자기장 장치의 한 쌍의 코일 조립체에 동일한 전류를 인가했을 때 발생하는 자기장 분포를 도시한 도면이이며, 도 7b는 도 7a에 도시된 자기장 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 두 개의 코일 조립체(210a, 210b)에 동일한 전류가 인가됨으로써, 자기장 인가 장치(200)에서 발생하는 자기장 분포가 대칭적인 것을 나타낸다.
도 8a는 도 5에 도시된 자기장 장치의 한 쌍의 코일 조립체에 상이한 전류를 인가했을 때 발생하는 자기장 분포를 도시한 도면이며, 도 8b는 도 8a에 도시된 자기장 분포를 나타낸 그래프이며, 도 8c는 도 8a에 도시된 비대칭적인 자기장을 이용한 다중 마그논 모드 기반의 양자 주파수 변환의 개념도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 두 개의 코일 조립체(210a, 210b)에 상이한 전류가 인가됨으로써, 자기장 인가 장치(200)에서 발생하는 자기장 분포가 비대칭적인 것을 나타내며, 자기장은 축방향으로 기울기를 가짐을 알 수 있다.
도 8c를 참조하면, 자기장 인가 장치(200)의 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)로부터 자기장이 발생되며, 이때, 두 개의 코일 조립체(210a, 210b)는 비대칭적인 자기장을 발생시킨다. 이트륨 철 가닛 단결정은 공진기(100) 내에서 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)에서 발생된 자기장 분포가 가장 큰 지점에 위치하도록 배치된다. 예를 들어, 도 8c에 도시된 실시예에서 복수의 이트륨 철 가닛 단결정은 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b) 중 어느 하나로부터 다른 하나를 향하는 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
공진기(100)는 광파 입력부(140)로부터 광파를 입력 받으며, 광파는 이트륨 철 가닛을 관통한다. 또한, 공진기(100)는 마이크로파 입출력부(130)로부터 마이크로파의 입력을 받는다.
예를 들어, 이트륨 철 가닛의 gyro ratio가 약 2.8 MHz/Gauss 이므로 1 mm 당 약 7 Gauss의 차이가 발생할 경우 이트륨 철 가닛에서 발생하는 마그논 공진 모드가 약 20 MHz 간격으로 발생할 것이다. 측정된 직경 0.45 mm 이트륨 철 가닛의 공진 모드 선폭이 약 4 MHz 이하인 것을 고려하면 충분히 다중 마그논 모드가 구별됨을 알 수 있다. 도 8c는 이러한 특성을 이용하여 더 직경이 작고 선폭이 좁은 좋은 품질의 이트륨 철 가닛 구(YIG sphere)를 만든다면 충분히 다중 모드 양자 주파수 변환을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 상술한 수치는 예시에 불과한 것이므로, 실시예들은 상술한 수치에 의해 제한되지 않는다.
도 9는 도 2에 도시된 실시예에 관한 자기장 인가 시스템의 개념도이다. 또한, 도 10a는 도 9에 도시된 자기장 인가 시스템에서 전류에 의해 유도되는 자기장과 마이크로파 주파수의 함수로써 얻어진 2차원 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이며, 도 10b는 도 9에 도시된 자기장 인가 시스템에서 각 오프셋 값들에 대응되는 자기장에서의 절단면 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.도 9를 참조하면, 자기장 인가 시스템(1000)은 공진기(100), 자기장 인가 장치(200), 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analysis; 1100) 및 컴퓨터(1200)을 포함한다. 자기장 인가 장치(200)는 전원(230)에 의해 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)에 전류를 인가시킴으로써 자기장을 발생시킨다. 도 9에 도시된 바와 같이, 자기장 인가 시스템(1000)을 구성함으로써, 자기장 인가 시스템(1000)에 의해 키텔 모드와 마이크로파 공진기 모드의 커플링 효과가 나타남을 알 수 있다.
구체적으로, 벡터 네트워크 분석기(1100)로부터
Figure 112020051495516-pat00028
의 마이크로파 시그널을 공진기(100)의 마이크로파 입출력부(130)의 입력 단자에 입력한다. 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)에 인가된 전류(또는 자기장)에 따라 나오는 출력 신호를 컴퓨터(1200)로 분석하여 투과 스펙트럼을 얻는다.
도 10a는 제1 코일 조립체(210a) 및 제2 코일 조립체(210b)를 통해 인가되는 전류에 의해 유도되는 자기장과 마이크로파 주파수의 함수로써 얻어진 2차원 투과 스펙트럼을 보여준다. 이트륨 철 가닛 단결정 내의 여기된 스핀 모드(마그논, Magnon), 즉 키텔 모드와 공진기 TE101 모드 사이의 강한 커플링으로 인한 뚜렷한 정상 모드 분리를 확인할 수 있다. 자기장 대비 전류 변환 비율은 위의 도 6에서 도시된 바와 같이 선형적인 관계를 보여준다.
도 10a에서 수평 점선은 공진기(100)의 공진 주파수를 나타내며, 대각 점선은 키텔 모드 주파수를 보여준다. 외부에서 인가되는 자기장 변화에 따라 키텔 모드가 공진기 모드에 접근함을 알 수 있으며, 약 120 Gauss 지점에서 두 모드들이 축퇴(degeneracy)되는 것을 알 수 있다. 이때 정상 모드의 주파수 차이는 약 60 MHz로 이 지점에서 마그논-공진기(Magnon-Cavity) 결합 모드를 보여준다.
도 10b는 각각의 전류 0, 17, 33, 49, 그리고 65 mA에 대응하는 자기장에서 절단면의 투과 스펙트럼을 보여준다. 각 점들은 실험 데이터를 나타내고 실선은 앞서 소개된 커플링 투과 계수의 이론 방정식으로부터 얻은 이론값들을 나타낸다. 결과적으로 스핀 모드와 공진기의 커플링 세기
Figure 112020051495516-pat00029
은 29 MHz, 스핀 모드의 주파수와 선폭인
Figure 112020051495516-pat00030
과
Figure 112020051495516-pat00031
은 각각 10.623 GHz와 3.1 MHz로 얻어졌다. 결과적으로 실시예들은 공진기(100) 기반에 한 쌍의 코일 조립체(210a, 210b)를 구비하는 자기장 인가 장치(200)를 포함하는 자기장 인가 시스템(1000)을 이용함으로써, 보다 효율적이고 선형적인 자기장의 인가가 가능하게 하며, 이를 통하여 강자성체(YIG) 스핀 모드와 마이크로파 공진기 모드의 커플링 기법을 얻을 수 있다. 한편, 상술한 수치 범위는 예시에 불과한 것이므로, 실시예들은 상술한 수치 범위에 의해 제한되지 않는다.
상술한 커플링 기법은 광학 빔과의 상호작용으로부터, 마이크로파와 광학파 사이의 주파수 변환을 가능하게 할 수 있다. 즉, 공진기(100)는 자기장 인가 장치(200)로부터 발생된 자기장에 의해 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환을 발생시킬 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 도 2에 도시된 공진기의 여기된 TE201 모드에서의 자기장 분포를 도시한 도면이며, 도 12a 내지 도 12c는 도 2에 도시된 공진기보다 더 두꺼운 두께의 공진기로부터 얻어진 각각의 모드들에 대한 자기장 분포를 도시한 도면들이다.
도 11a 내지 도 12c를 참조하면, 강자성체(YIG)와 공진기(100)의 커플링을 기반으로, 공진기(100)의 길이를 변화시키면, 공진기(100)의 다양한 공진 주파수에 해당되는 모드와 강자성체의 스핀 모드 사이의 커플링 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 이론적인 시뮬레이션의 결과에서는 16.759 GHz공진 주파수에서 여기된 자기장 분포도를 보여준다. 즉, TE201 모드와 강자성체의 스핀 모드를 커플링하면, 더 높은 주파수 대역의 마이크로파를 광학파로 변환할 수 있다.
또한, 도 12a 내지 도 12c를 참조하면, TE201 모드 외에도 공진기(100)의 두께를 조절함으로써 더 다양한 모드로부터 소정의 대역의 마이크로파 광자를 광학파 광자로 변환할 수 있는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 실시에서 공진기(100)의 두께는 3mm 이며, 도 12a 내지 12c에 도시된 자기장 분포를 나타내기 위한 공진기(100)의 두께는 10mm 이다. 도 12a 내지 12c에서는 공진기(100)의 TE202 모드를 도시하고 있다. 이를 참조하면, 공진기(100)의 두께가 작을수록 자기장 밀도가 커져서 양자 커플링에 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, 더 높은 공진 주파수의 공진기 모드들은 더 높은 주파수의 마그논 모드들과 양자 커플링(양자 역학적 상호작용)이 가능하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 공진기(100)는, 본체(110)의 3차원 치수(길이, 두께, 높이 등)에 따라 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환 대역이 조절될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 공진기
110: 본체
120: 관통 개구
130: 마이크로파 입출력부
140: 광파 입력부
200: 자기장 인가 장치
210a: 제1 코일 조립체
210b: 제2 코일 조립체
211a, 211b: 코일
212a, 212b: 가이드 부재
213a, 213b: 자성체 마운트
214a, 214b: 자성체
220: 베이스
221: 지지부
222: 공진기 수용부
230: 전원
1000: 자기장 인가 시스템
1100: 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analysis)
1200: 컴퓨터

Claims (13)

  1. 서로 이격하여 나란하게 배치되는 제1 코일 조립체 및 제2 코일 조립체;
    상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각에 전류를 인가하는 전원;
    제어부; 및
    상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체의 사이에 배치된 공진기 수용부;를 포함하고,
    상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각은,
    자기장을 발생시키는 코일;
    상기 코일의 말단에 연결되는 가이드 부재;
    상기 가이드 부재의 말단에 연결되는 자성체 마운트; 및
    상기 자성체 마운트에 고정되는 자성체;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전원으로부터 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체에 인가되는 전류를 제어하는, 자기장 인가 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 수용부가 형성된 베이스; 및
    상기 베이스의 상부에 배치되어 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체를 지지하는 지지부;를 더 포함하고,
    상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각의 코일은 서로 동축인, 자기장 인가 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체는 상기 공진기 수용부를 기준으로 서로 대칭으로 배치되는, 자기장 인가 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각에 인가되는 전류를 독립적으로 제어할 수 있는, 자기장 인가 장치.
  6. 제1항, 제3항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 자기장 인가 장치; 및
    상기 자기장 인가 장치의 상기 공진기 수용부에 배치되는 공진기;를 포함하고,
    상기 공진기는,
    본체;
    상기 본체에 형성되는 관통 개구; 및
    상기 관통 개구 내에 배치된 이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet) 단결정;을 포함하고,
    상기 자기장 인가 장치의 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체의 사이에 상기 공진기의 상기 관통 개구가 배치되는 자기장 인가 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공진기는, 마이크로파 및 광파의 입력 및 출력을 받으며, 상기 자기장 인가 장치로부터 발생된 자기장에 의해 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환을 발생시키는, 자기장 인가 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공진기는, 마이크로파의 입력 및 출력을 받을 수 있는 마이크로파 입출력부;
    광파의 입력을 받을 수 있는 광파 입력부; 및
    주파수 변환된 광파가 출력되는 광파 출력부;를 더 포함하는, 자기장 인가 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 공진기는, 복수의 이트륨 철 가닛 단결정을 포함하고,
    상기 복수의 이트륨 철 가닛 단결정은 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 중 어느 하나로부터 다른 하나를 향하는 방향으로 나란하게 배치되는, 자기장 인가 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 공진기는, 상기 본체의 3차원 치수에 따라 마이크로파 및 광파 사이의 주파수 변환 대역이 조절되는, 자기장 인가 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각에 전류를 상이하게 인가하여 상기 공진기에 인가되는 자기장의 기울기를 조절할 수 있는, 자기장 인가 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 자기장 인가 장치는, 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각의 코일의 온도를 센싱하는 온도 센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에 의해 센싱된 온도에 기초하여 자기장 발생량을 조절하는, 자기장 인가 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공진기의 공진 주파수가 일정하도록 상기 제1 코일 조립체 및 상기 제2 코일 조립체 각각의 코일에 인가되는 전류를 제어하는, 자기장 인가 시스템.
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