KR20070036673A - 강한 스핀파 발생 방법 및 스핀파를 이용한 초고속 정보처리 스핀파 소자 - Google Patents

강한 스핀파 발생 방법 및 스핀파를 이용한 초고속 정보처리 스핀파 소자 Download PDF

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Abstract

강한 스핀파를 발생시키는 방법, 스핀파와 전자기파를 동시에 발생시키는 방법, 스핀파를 이용한 논리 연산 소자 및 이를 응용한 다양한 스핀파 소자, 그리고 스핀파의 위상 제어 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에서는, 자기 소용돌이(magnetic vortex), 자기 반-소용돌이(magnetic antivortex) 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 다양한 형태의 에너지를 공급하여 강한 스핀파를 발생시킨다. 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이를 형성할 수 있도록 패턴된 자성체에 에너지를 인가하면, 자기 소용돌이 중심부(vortex core)에 강한 토크를 유발하여 그 소용돌이 중심부로부터 강한 스핀파를 발생시킬 수가 있다. 이렇게 발생시킨 스핀파는 큰 진폭과 짧은 파장, 높은 주파수를 가진다. 본 발명에 따른 스핀파를 이용한 논리 연산 소자 및 이를 응용한 스핀파 소자는 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에 의하여 발생시킨 스핀파의 주파수, 파장, 진폭, 위상 등의 파동 인자를 제어하고 반사, 굴절, 투과, 터널링, 중첩, 간섭, 회절 등의 파동 성질을 이용하는 것이다. 본 발명에 따르면, 초고속 정보 처리가 가능한 논리 연산 스핀파 소자 및 광학에서 파동을 이용한 여러 형태의 광학 소자를 스핀파를 이용하여 재구성할 수 있다.

Description

강한 스핀파 발생 방법 및 스핀파를 이용한 초고속 정보 처리 스핀파 소자 {Method of generating strong spin waves and spin devices for ultra-high speed information processing using spin waves}
도 1은 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법을 실현하기 위한 스핀파 발생 소자의 핵심 구조체에 대한 예이다.
도 3a는 자기 소용돌이 스핀 구조에서의 평면 상의 스핀들의 방향을 화살표로 나타내고 있는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 자기 소용돌이 스핀 구조에서의 스핀들의 수직 방향 성분을 나타낸 도면이다.
도 3c는 도 3a의 자기 소용돌이 스핀 구조에서의 V1-V1' 상의 스핀들의 평면에 수직 방향 성분의 거리에 따른 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 반-소용돌이 스핀 구조에서의 평면 상의 스핀들의 방향을 화살표로 나타내고 있는 도면이다.
도 4b는 도 4a의 반-소용돌이 스핀 구조에서의 스핀들의 수직 방향 성분을 나타낸 도면이다.
도 4c는 도 4a의 반-소용돌이 스핀 구조에서의 V2-V2' 상의 스핀들의 평면에 수직 방향 성분의 거리에 따른 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 도 2에 도시한 스핀파 발생 소자의 핵심 구조체에 대한 미소 자기학 전산모사 결과를 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 5a의 결과 중에서 스핀파 도파로(waveguide) 부분에 대한 결과로서, 시간에 따른 수직 성분의 자화 방향을 나타낸 도면이다.
도 6은 땅콩 모양의 자기박막 구조체에 두 개의 자기 소용돌이 사이에 한 개의 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 안정한 상태로 공존하는 미세구조를 보여주는 전산모사 결과를 나타낸 도면이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 도 6에 제시한 자기 소용돌이/자기 반-소용돌이 스핀 구조에 자기장을 인가할 때 스핀들의 수직 방향 성분의 공간적 분포가 시간에 따라 변화해가는 양상을 보이는 도면들이다.
도 7e는 자기 소용돌이/자기 반-소용돌이 스핀 구조가 소멸하는 순간 소용돌이 중심부에 발생한 토크값의 공간적 분포를 보여주는 도면이다.
도 8a는 도 6에서와 같이 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조를 함께 가지는 스핀파 발생부를 포함하는 스핀파 발생 소자에 대한 전산모사 결과를 나타내는 도면이다.
도 8b는 도 8a의 결과 중에서 스핀파 도파로 부분에 대한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 자기 소용돌이가 단독 혹은 자기 반-소용돌이와 함께 안정되게 공존할 수 있는 박막 구조체를 나타내며 스핀파 발생부의 형상에 대한 예들을 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따라 자기장 에너지를 공급하여 스핀파를 발생시킬 수 있는 스핀파 발생 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 레이저 광 입사를 통한 열 에너지를 공급하여 스핀파를 발생시킬 수 있는 스핀파 발생 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 10c는 본 발명의 실시예에 따라 전류에 의한 소용돌이의 중심부에 스핀 토크를 발생시켜 스핀파를 발생시킬 수 있는 스핀파 발생 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 10d는 본 발명의 실시예에 따라 탄성 에너지를 이용하여 스핀파를 발생 시킬 수 있는 스핀파 발생 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 스핀파 소자의 다른 예이다.
도 12a는 스핀파 도파로 내부에 이종자성 물질로 이루어진 도파관을 삽입한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12b는 이종자성 물질로 이루어진 도파관 삽입시 주파수에 따른 스핀파의 반사, 투과, 터널링(tunneling)을 나타내는 도면이다.
도 12c는 도 12b에서 20㎓ 주파수(A-A')를 가지는 스핀파의 투과, 반사, 터널링을 나타내는 도면이다.
도 12d는 도 12b에서 26㎓ 주파수(B-B')를 가지는 스핀파의 투과, 반사, 터널링을 나타내는 도면이다.
도 13a는 스핀파의 방사, 투과, 반사, 터널링, 필터링, 간섭 등의 파동성을 보일 수 있는 모델 구조의 도면이다.
도 13b는 시간 t= 1.0 ns에서 Y 형태 스핀파 도파로 상에서 스핀파의 전파를 보여주는 실시예 도면이다.
도 13c는 시간 t=1.0 ns일 때에 Y 형태 스핀파 도파로 양쪽에서 스핀파의 결맞음(coherency)을 보여주는 실시예 도면이다.
도 13d는 도 13a에서 보여준 A 영역에서 스핀파의 간섭무늬를 보여주는 실시예 도면이다.
도 13e는 도 13d에서 선 Y-Y' 상에서의 스핀파의 간섭무늬를 보여주는 실시예 도면이다.
도 14a는 스핀파 도파로의 자성체 고유 상수에 따른 분산 관계 변화 결과를 나타내는 도면이다.
도 14b는 스핀파 도파로에 미치는 유효 자장의 크기와 방향에 따른 분산 관계 변화 결과를 나타내는 도면이다.
도 14c는 스핀파 도파로의 너비에 따른 분산 관계 변화 결과를 나타내는 도면이다.
도 14d는 스핀파 도파로의 두께에 따른 분산 관계 변화 결과를 나타내는 도면이다.
도 15a는 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로의 국부적 영역에 유효 자장 변화가 발생한 상태의 도면이다.
도 15b는 도 15a에 나타낸 도파관을 지나가는 스핀파의 전파, 도파관을 지나지 않는 스핀파의 전파 및 도파관을 지나는 스핀파와 지나지 않는 스핀파의 전파를 비교하기 위해 동시에 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로에 도파관의 형상변화로 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로에 다른 자성 물질을 접합하여 그 계면과의 교환결합력에 의한 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 18a는 스핀파 도파로에 형성된 자구벽으로 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 18b는 본 발명의 실시예에 따라 도선에 흐르는 전류에 의한 외스테드 필드(Oersted field)로 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 18c는 본 발명의 실시예에 따라 자구벽 도파로에 흐르는 전류에 의해 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 18d는 본 발명의 실시예에 따라 자구벽 도파로에 강한 스핀파를 입사시켜 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 외스테드 필드(Oersted field)를 스핀파 도파로의 국부적 영역에 인가하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 자구벽에 의한 스트레이 필드를 스핀파 도파로의 국부적 영역에 인가하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 스핀 토크를 이용하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 탄성 변형을 이용하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 23a는 스핀파를 이용한 OR 게이트의 개념도이고, 도 23b는 이러한 OR 게이트를 구현하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자의 실시예 도면이다.
도 24는 스핀파를 이용한 인버터의 개념도이다.
도 25a는 본 발명의 실시예에 따라 외스테드 필드에 의한 스핀파의 위상 변화를 이용한 인버터 게이트의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 25b는 외스테드 필드를 이용한 스핀파 인버터 게이트의 구동을 전산모사하기 위한 모델 구조의 도면이다.
도 25c는 외스테드 필드의 크기 분포와 방향에 대한 결과를 나타내는 실시예 도면이다.
도 25d는 도선에 가해지는 전류 크기에 따라 스핀파의 위상이 변하는 것을 나타내는 실시예 도면이다.
도 25e는 스핀파 인버터 게이트의 출력신호가 전류 입력 신호에 따라 스핀파의 간섭을 조절하여 인버터 게이트 동작을 하게 되는 실시예 도면이다.
도 25f는 본 발명의 실시예에 따라 외스테드 필드에 의한 스핀파의 위상 변화를 이용한 인버터 게이트의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 26은 스핀파를 이용한 NOR 게이트의 개념도이다.
도 27은 스핀파를 이용한 XNOR 게이트의 개념도이다.
도 28a는 스핀파를 이용한 XOR 게이트의 제1 개념도, 도 28b는 제2 개념도이며, 도 28c는 이러한 XOR 게이트를 구현하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자의 실시예 도면이다.
도 29는 스핀파를 이용한 NAND 게이트의 개념도이다.
도 30a는 스핀파를 이용한 AND 게이트의 제1 개념도이고, 도 30b는 제2 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 스핀파 발생부, 102: 에너지 공급부, 103: 스핀파 도파로, 104: 기판, 105: Fe 도파관, 105a: 도파관, 106: 강자성 박막, 201: 자기장 인가 도선, 202, 207: 전원부, 203: 레이저 광원, 204: 집속 렌즈, 205: 제1 도선, 206: 제2 도선, 208: 압전체, 221: 도파로에서 스핀파의 위상이 변화되는 국부적 영역, 223: 자성층, 225: 자구벽, 227: 자구벽 도파로, 230, 236: 자기장 인가 도선, 232, 234: 전원부, 240: 제1 도선, 242: 제2 도선, 244: 압전체, 301, 401: 제1 유닛(unit), 302, 402: 제2 유닛, 303: 제3 유닛, 403: 결합 스핀파 도파로, 405: 180도 위상 변환 장치, 501, 502: 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자, 503, 504: 정적 위상 변화 장치, 505, 506: 동적 위상 변화 장치
본 발명은 스핀파 발생 방법 및 소자에 관한 것으로, 특히 수 ㎚에서 수 ㎛에 이르는 파장과 수백 ㎒에서 수십 ㎓의 주파수대를 가지는 쌍극자-교환 스핀파(dipole-exchange spin wave)를 발생시키는 방법과 이 방법을 실현하기 위한 구성을 가지는 스핀파 발생 소자, 그리고 이러한 스핀파를 이용하여 논리 연산을 수행하도록 구성한 정보 처리 소자에 관한 것이다. 본 명세서에서는 스핀파 발생 소자와 이것을 이용한 정보 처리 소자를 통칭하여 스핀파 소자라고 부르기도 한다.
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 전달 과 처리에 자성체에 발생된 스핀파를 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다.
스핀파란 스핀들이 파동의 형태로 집단적인 거동을 하는 것을 일컫는 말이다. 강자성체(ferromagnets), 반강자성체(antiferromagnets), 페리자성체(ferrimagnets) 등의 자성체에 에너지를 가하면 자성체 내부의 스핀들은 세차 운동을 하게 되며, 각각의 스핀들의 세차 운동은 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction), 교환 상호작용(exchange interaction)과 같은 스핀들 서로간의 자기적 상호작용에 의해 파동의 형태를 띠게 된다. 이 파동이 스핀파이다.
스핀파는 지배적인 상호작용에 따라 몇 가지로 나눌 수가 있다. 첫째로 쌍극자-쌍극자 상호작용이 지배적이고 수 ㎛에서 수 ㎝에 이르는 파장을 가지는 정자파(magnetostatic wave)가 있다. 다음으로 교환 상호작용이 지배적으로 작용하여 수 ㎚ 이하의 파장을 가지는 교환 스핀파(exchange spin wave)가 있다. 그리고, 두 상호작용이 경쟁적으로 작용하여 생성되는 수 ㎚에서 수 ㎛에 이르는 파장을 가지는 쌍극자-교환 스핀파가 있다. 현재까지 응용적 측면에서 연구가 된 것은 정자파로서, 주로 고주파 신호 처리용 소자로 이용되어 왔다.
기존의 정자파 소자에서 사용하는 스핀파 발생 방법은 다음과 같다(예를 들어, 미국 특허 제4,208,639호, 제4,316,162호, 제5,601,935호). YIG와 같은 페리자성체의 박막면에 형성되어 있는 도선에 고주파의 교류 전류를 흘려 전자기파를 발생시키면, 발생된 전자기파와 페리자성체의 정자파와의 강한 결합에 의해 고주파의 정자파가 발생하여 자성체 내부를 진행하게 된다. 이렇게 발생된 정자파의 파장은 보통 10 ㎛에서 1 ㎜의 크기를 가지게 된다. 이 방법의 핵심은 자성체의 국부적 영 역에 도선을 통하여 자기장을 인가하여 스핀파를 발생시켜 전파시키는 것이다.
스핀파를 이용한 정보 처리 소자가 기존의 CMOS 기반의 정보 처리 방법을 대체하는 신개념의 초고속 정보 처리 소자가 되기 위해서는 파장이 수 ㎚이어야 하고 주파수가 ㎓ 이상이어야 하며 소자 내에서 수 ㎚에서 수백 ㎚ 크기의 영역에서 국소적인 스핀파의 발생이 가능해야 한다. 그런데, 도선에 흐르는 전류에 의한 유도 자장이 도선으로부터 떨어진 영역에도 거리에 반비례하는 크기로 형성되기 때문에, 기존의 정자파를 이용한 소자에서는 소자의 전 영역이 자장의 영향 안에 들어가게 되어 국부적 영역의 스핀파를 발생시키는 것이 불가능해진다.
따라서, 스핀파를 이용한 정보 처리 소자를 위해서는 쌍극자-교환 스핀파를 발생시킬 수 있는 방법이 우선적으로 필요하다. 그런데, 교환 스핀파와 쌍극자-교환 스핀파는 소자로써의 응용에 대한 연구가 거의 진행되어 있지 않다.
일본 공개 특허 평6-097562호에는 자성체에 에너지를 가하여 자성체 내부의 자기적 상호작용의 변화를 야기하여 스핀파를 발생시킨다는 개념적 방법이 제시되어 있으며, Cu-K X-선을 자성체에 조사하여 바닥 상태의 스핀파를 여기 상태로 만드는 방법을 그 예로 들고 있다. 그러나, 여기에서 제시하는 에너지 공급에 의한 스핀파 발생 방법은 자성체에서 스핀파를 발생시키는 일반적인 방법에 불과하며, 스핀파의 정보 처리 소자로써의 응용을 위한 국부적 영역에서의 강한 스핀파 발생 방법을 제시하지 못하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 스핀파를 이용한 정보 처리 소자에 서 요구되는 수준, 즉 수 ㎚에서 수백 ㎚ 크기의 국소적 영역에 수 ㎚에서 수 ㎛에 이르는 파장과 수백 ㎒에서 수십 ㎓의 주파수대를 가지는 큰 진폭의 쌍극자-교환 스핀파를 발생시키는 방법을 제공하는 것이고, 스핀파 발생과 동시에 스핀파와 동일한 주파수의 전자기파를 발생시키는 방법도 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법을 실현하기 위한 구성을 가지는 스핀파 발생 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에 의해 발생된 스핀파를 이용하여 논리 연산을 수행하도록 구성한 정보 처리 스핀파 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 다양한 정보 처리 스핀파 소자를 구현할 수 있도록, 스핀파의 위상을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에서는, 자기 소용돌이(magnetic vortex), 자기 반-소용돌이(magnetic antivortex) 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하고, 상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터 국소적으로 스핀파를 발생시킨다.
본 발명에 따른 전자기파 및 스핀파 발생 방법은, 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 각각 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하는 단계, 및 상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스 핀 구조의 중심부로부터, 혹은 두 소용돌이가 충돌하여 사라지면서 국소적으로 스핀파를 발생시키는 동시에, 생성된 스핀파와 동일한 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키는 단계를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자는, 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체로 이루어진 스핀파 발생부, 상기 스핀파 발생부에 에너지를 공급하는 에너지 공급부 및 상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터 발생된 스핀파를 상기 스핀파 발생부로부터 전파시키기 위한 스핀파 도파로를 포함한다.
본 발명에 따른 소자에 있어서, 상기 자성체는 상기 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이가 단독 혹은 함께 존재하도록 하는 형상 및 치수를 가지고 있다. 상기 에너지 공급부는 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 에너지를 공급하는 것일 수 있다. 상기 스핀파 발생부 및/또는 스핀파 도파로는 현존하는 모든 자성체일 수 있다. 그 중에서도 예를 들어, 강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, CMR(Colossal Magneto Resistance)계 자성체, 호이슬러 합금계 자성체, 자성 반도체 및 이의 복합구조로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
실시예에서, 상기 스핀파 발생부 및 스핀파 도파로를 지지하는 기판을 더 포함하고, 상기 에너지 공급부는 상기 스핀파 발생부 아래 상기 기판 양측에 형성된 자기장 인가도선, 및 상기 자기장 인가도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 발생부 일부 혹은 전체에 자기장이 가해지도록 하는 전원부를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 에너지 공급부는 레이저 광원, 및 상기 레이저 광원의 빔을 상기 스핀파 발생부로 집속하여 열이 가해지도록 하는 집속 렌즈를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 에너지 공급부는 상기 스핀파 발생부의 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선, 상기 제1 도선과 소정의 각도를 이루며 상기 스핀파 발생부의 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선, 및 상기 제1 및 제2 도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 발생부에 스핀 편광된 전류에 의해 발생한 토크의 작용에 의해 스핀파가 발생하도록 하는 전원부를 포함한다. 여기서, 상기 에너지 공급부는 상기 제1 및 제2 도선에 흐르는 전류에 의해 탄성 변형을 하여 상기 스핀파 발생부에 자기 탄성 에너지를 공급하는 압전체를 더 포함할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따른 스핀파 소자는 상기 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 유닛(unit)을 복수개 포함하고, 상기 유닛 사이는 상기 스핀파 도파로에 의해 연결되어 있다. 이 때, 스핀파 전달의 효율을 높이기 위하여, 상기 스핀파 도파로 중 직선이 아닌 부분은 곡선 형태를 취한다.
상기 스핀파 도파로에 상기 스핀파 도파로와 이종 혹은 동종의 자성 물질로 된 도파관을 삽입한 스핀파 소자도 구성할 수 있다. 이 때, 삽입된 상기 도파관의 형상, 치수 및 자성 물질 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 진행하는 스핀파의 주파수를 선택적으로 여과(filtering)하도록 할 수 있다. 삽입된 상기 도파관의 형상, 치수 및 자성 물질 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 진행하는 스핀파의 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합 중 어느 하나를 변화시킬 수도 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자는, 상기 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 유닛을 복수개 포함하고 상기 유닛 사이는 상기 스핀파 도파로에 의해 연결되어 있는 것이되, 상기 유닛이 상기 스핀파의 파동 인자를 신호로 이용하여 논리 연산을 수행하도록 연결되어 있는 것이 특징이다.
이러한 소자에 있어서, 상기 파동 인자는 상기 스핀파의 주파수, 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 특히 상기 스핀파의 중첩, 반사, 굴절, 투과, 방사, 회절, 간섭의 어느 한쪽 혹은 복합적인 작용을 이용하여 상기 파동 인자의 변화로 논리 연산을 수행하도록 구성한 것이다.
본 발명에서는 나노크기의 스핀파 도파로의 국부적 영역에 자성 물질의 고유 상수와 도파로의 외형적 특성을 변화시켜 스핀파 도파로를 진행하는 스핀파의 파동 인자를 제어하는 방법과 이를 구성하여 논리 연산을 수행하도록 구성한 정보 처리 스핀파 소자도 제공한다.
본 발명은 또한 스핀파가 진행하는 스핀파 도파로에 국부적으로 유효 자장의 변화를 유발하여 스핀파의 위상을 변화시키는 스핀파 위상 제어 방법도 제공한다. 여기서, 외스테드 필드(Oersted field), 스트레이 필드(stray field), 탄성 변형, 다른 자성 물질과의 교환 결합, 전류 및 스핀 토크 중 어느 하나에 의해 상기 유효 자장을 변화시킨다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
제1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에서는, 자기 소용돌이(magnetic vortex), 자기 반-소용돌이(magnetic antivortex) 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급한다(단계 s1). 에너지 공급에 의하여 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터 국소적으로 스핀파를 발생시킨다(단계 s2). 이 때, 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터, 혹은 두 소용돌이가 충돌하여 사라지면서 국소적으로 스핀파를 발생시키는 동시에, 생성된 스핀파와 동일한 주파수를 갖는 전자기파를 발생시킬 수 있다. 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조 및 스핀파가 발생되는 구체적인 원리에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에서와 같이 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하면, 스핀 구조의 중심부에 국부적으로 강한 토크가 유발된다. 이 토크에 의해 큰 진폭을 가지 는 쌍극자-교환 스핀파를 발생시킬 수가 있다. 자기 소용돌이나 자기 반-소용돌이 스핀 구조 중심부의 크기는 10-20㎚ 정도이므로, 본 발명에 의하면 수십 ㎚ 크기의 국소적 영역으로부터 스핀파를 발생시킬 수 있게 된다. 이 스핀파는 쌍극자 및 교환 상호작용이 우세한 쌍극자-교환 스핀파이다. 또한, 생성된 스핀파와 동일한 주파수를 갖는 전자기파를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에서의 단계 s1 전에, 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이가 단독 혹은 함께 존재하도록 자성체의 형상 및 치수를 결정하는 단계를 더 포함함이 바람직하다. 그리고, 스핀파 및/또는 전자기파의 파동 인자, 예컨대 주파수, 파장, 진폭, 위상 등을 제어하기 위해 자성체의 종류, 형상 및 치수, 또는 에너지 공급 방식 및 공급에너지의 양을 조절한다. 자성체의 종류를 변화시키면 포화자화, 자기 이방성 상수, 교환결합상수, 감소계수가 달라지므로 스핀파의 파동 인자를 제어할 수 있게 된다. 그리고, 자성체에 공급하는 에너지로써 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 중의 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용하여 스핀파의 파동 인자를 제어할 수 있다.
도 2는 이러한 스핀파 발생 방법을 실현하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자의 한 예이다.
도 2에 도시한 스핀파 소자는 스핀파 발생부(101), 에너지 공급부(102) 및 스핀파 도파로(103)를 포함하며, 이들은 기판(104)에 의해 지지되어 있다. 스핀파 발생부(101)는 자성체로 이루어져 있으며 내부의 스핀 구조는 아래에 설명할 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이를 단독 혹은 함께 가질 수 있는 형상 및 치수를 가지 며, 그 중심부에는 국부적으로 강한 토크가 걸리게 된다. 스핀파 발생부(101)는 이후에 기술되는 형상을 가질 수 있다. 에너지 공급부(102)는 스핀파 발생부(101)에 에너지를 공급하여 강한 토크를 유발한다. 스핀파 도파로(103)는 에너지 공급에 따라 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터 발생된 스핀파가 스핀파 발생부(101)로부터 전달되어 전파하는 부분이다. 스핀파 발생부(101) 및/또는 스핀파 도파로(103)는 현존하는 모든 자성체일 수 있다. 그 중에서도 예를 들어, 강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, CMR계 자성체(예컨대 페로브스카이트(peroveskite) 망간 산화물 La1-xAxMnO3 (A=Sr, Ba, Ca) 및 Nd0.5Pb0.5MnO3), 호이슬러 합금계 자성체(약 50％의 Cu, 25％의 Mn, 25％의 Sn으로 구성되어 있음. Sn은 Al, As, Sb, Bi, B로 대체될 수 있으며, Cu는 Ag로 대체될 수 있음.), 자성 반도체 및 이의 복합구조로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조 및 스핀파가 발생되는 원리
이제 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조 및 스핀파가 발생되는 구체적인 원리에 대해서 설명한다.
자성체로 이루어진 박막에서 스핀 방향의 분포는 여러 가지 에너지에 의해 결정이 되는데 주로 정자기 에너지(magnetostatic energy), 교환 에너지(exchange energy), 이방성 에너지(anisotropy energy)에 의해 결정이 된다. 수백 ㎚에서 수 ㎛ 크기의 지름을 가진 패터닝된 강자성체 박막에서 주로 관찰할 수 있는 자기 소 용돌이는 이러한 에너지들에 의해 결정되는 평형 상태에서의 자기 미세구조이다.
패터닝된 강자성체 박막에서 대부분의 스핀들은 형상 이방성 에너지(shape anisotropy energy)에 의해 박막면에 평행한 방향으로 향하게 된다. 또한 근거리에서 작용하는 교환 에너지에 의해 인접한 스핀들은 같은 방향을 향하려고 하지만 유한한 크기의 자성체에서 이렇게 스핀들이 모두 같은 방향으로 향하게 되면 자성체의 끝머리 부분에 자유 극(free pole)이 생기게 되어 정자기 에너지가 증가되므로 이 에너지를 줄이기 위해 스핀들은 서로 꼬리에 꼬리를 무는 자기 소용돌이 형상이 된다.
도 3a 내지 도 3c에 이러한 자기 소용돌이 형상에 관한 전산모사 결과가 제시되어 있는데, 직경이 250nm이고 두께가 20nm인 원형의 퍼멀로이(permalloy) 자성 박막의 안정화된 형상을 미소 자기학 전산모사를 이용하여 얻은 도면들이다. 박막면 상의 방향을 x, y 방향으로 하고 박막면에 수직인 방향을 z 방향으로 할 때, 도 3a는 xy 평면에서의 스핀들의 방향을 화살표로 나타내고 있다. 도 3b는 xy 평면에서의 스핀들의 수직 방향 성분, 즉 Mz 값의 분포를 면의 높낮이와 흑백의 명암 크기에 따라 나타내고 있다. 이 때 소용돌이 중심부의 자화 방향은 위 혹은 아래를 향할 수 있다. 도 3c는 도 3a의 V1-V1' 선에 위치한 스핀들의 z 방향 성분의 포화자화에 대한 비율을 나타내는데, 이로부터 자기 소용돌이 중심(vortex core)(vc)을 확인할 수 있다.
또한 이와 상대되는 형상으로 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 있다. 이 구조 는 자기 소용돌이 스핀 구조와 마찬가지로 정자기 에너지를 줄이기 위하여 스핀들의 방향은 박막면에 평행하고 인접한 스핀들끼리 서로 꼬리를 무는 형상을 가지고 있으나, 이것이 자기 소용돌이 형상이 아니라 도 4a와 같이 크로스-블록 선(cross-block line)의 형상을 하고 있다. 도 4a 내지 도 4c는 땅콩 모양의 형상을 한 퍼멀로이 자성 박막의 안정화된 형상을 미소 자기학 전산모사를 이용하여 얻은 결과 중 자기 반-소용돌이가 형성된 부분에 대한 것이다. 도 4a는 xy 평면에서의 스핀들의 방향을 화살표로 나타내고 있다. 도 4b는 xy 평면에서의 스핀들의 수직 방향 성분, 즉 Mz 값의 분포를 면의 높낮이와 흑백의 명암 크기에 따라 나타내고 있다. 이 때 반-소용돌이 중심부의 자화 방향은 위 혹은 아래를 향할 수 있다. 도 4c는 도 4a의 V2-V2' 선에 위치한 스핀들의 포화자화에 대한 z 방향 성분의 비율을 나타내는데 이로부터 자기 반-소용돌이 스핀 구조도 박막면에 수직인 방향을 향하는 자기 반-소용돌이 중심(antivortex core)(ac)을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
일반적으로 자성체에 자기장과 같은 에너지가 가해지면 토크가 발생하여 개개 스핀들이 세차 운동을 시작하게 된다. 상기에서 설명한 자기 소용돌이 혹은 자기 반-소용돌이 스핀 구조에 에너지가 가해지면 역시 토크가 발생하게 된다. 이 때, 자성체 전체에 균일한 에너지가 가해지더라도 자기 소용돌이와 자기 반-소용돌이 중심부에는 그 주변부와는 달리 아주 큰 토크가 발생되어 박막면에 수직인 중심부 스핀 방향의 급격한 변화 혹은 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 이동을 유발하게 되고 이에 따라 국소적 영역인 중심부로부터 큰 진폭의 스핀파가 발생하여 방사(radiation)하게 되는 것을 본 발명자들이 발견하였다. 이 때 발생하는 스핀파는 자기 소용돌이 혹은 자기 반-소용돌이 스핀 구조를 이루고 있는 자성체의 포화자화, 자기 이방성 상수, 교환결합상수, 감소계수, 자성체의 형상 및 치수와 같은 고유 특성에 따라 그리고 에너지 공급 방식에 따라 파동 인자, 예컨대 주파수, 파장, 진폭, 위상 등이 결정된다.
도 5a는 도 2에 도시한 스핀파 소자에 대한 미소 자기학 전산모사 결과를 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a의 결과 중에서 스핀파 도파로 부분에 대한 결과로서, 시간에 따른 수직성분의 자화 방향을 나타낸 도면이다. 여기서 스핀파 발생부(101)는 원형 디스크의 퍼멀로이 자성체 박막으로서, 자기 소용돌이 스핀 구조를 단독으로 가진 경우로 상정하였다.
도 5a는 스핀파 발생부(101)에 사인파 형태의 펄스 자기장을 인가, 자기 소용돌이 중심부의 방향의 급격한 변화를 유발하여 발생시킨 스핀파를 시간의 경과에 따라 보여준다. 시간의 경과에 따라, 원형 디스크 내에 강한 스핀파가 소용돌이 중심부로부터 방사되고 있음을 확인할 수 있다. 도 5b는 스핀파 발생부(101)에서 발생된 스핀파가 시간의 경과에 따라 스핀파 도파로(103)를 통해 전파되는 것을 보여준다.
도 6은 스핀파 발생부(101)에 자기 소용돌이 구조, 자기 반-소용돌이 구조가 함께 존재하는 예로서, 땅콩 모양의 형상을 한 퍼멀로이 자성 박막의 안정화된 형상을 미소 자기학 전산모사로 얻은 결과이다. 도 6에서 실선과 작은 화살표는 평면에 평행한 스핀 방향의 공간적 분포를 나타내며 면의 높낮이와 명암은 스핀들의 수 직 방향 성분, 즉 Mz 값의 공간적 분포를 의미한다. 이렇게 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 함께 존재하는 자성체로 된 스핀파 발생부(101)에 대하여 에너지를 가하게 되면 다음에 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 설명하는 바와 같이 두 스핀 구조는 이동을 하게 되고 결국에는 서로 만나 소멸하게 되는데, 소멸하는 순간 두 구조의 중심부가 만나는 국소적인 영역에서 큰 토크가 발생되며 이에 따라 큰 진폭의 스핀파가 발생하고 방사하게 된다. 이 때 발생하는 스핀파도 자기 소용돌이, 반-소용돌이 스핀 구조를 이루고 있는 자성체의 포화자화, 자기 이방성 상수, 교환결합상수, 감소계수, 자성체의 형상 및 치수와 같은 고유 특성에 따라 그리고 에너지 공급 방식에 따라 파동 인자가 결정된다.
도 7a 내지 도 7e는 상기에서 설명한 자기 소용돌이/자기 반-소용돌이 스핀 구조의 시간에 따른 이동과 소멸에 의한 스핀파의 발생에 대해서 본 발명자들이 퍼멀로이 자성 박막을 모델로 실시한 미소 자기학 전산모사 결과들이다. 도 7a 내지 도 7e에서 면의 높낮이와 명암은 도 6과 같이 평면에 수직인 스핀 방향 성분의 공간적 분포를 의미한다.
먼저 도 7a는 자기장을 가하고 190 ps가 경과했을 때 자기 소용돌이 스핀 구조의 이동에 의해 발생되는 스핀파를 보여준다. 도 7b는 544 ps 경과 후 자기 소용돌이와 자기 반-소용돌이 구조가 서로 만나 소멸하는 순간의 스핀 방향의 공간적 분포를 나타낸다. 도 7c와 7d는 자기 소용돌이와 자기 반-소용돌이 구조가 소멸한 이후 발생한 스핀파를 나타낸 것으로, 각각 583, 654 ps 경과 후의 공간적 분포를 보여준다. 도 7e는 도 7b에서 보이는 소멸 순간의 토크 크기의 공간적 분포로써, 자기 소용돌이와 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부가 만나는 국소적 부분에 강한 토크가 형성되어 있음을 보여준다.
도 8a는 도 6에서와 같이 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조를 함께 가지는 스핀파 발생부를 포함하는 스핀파 소자에 대한 전산모사 결과를 나타내는 도면이고, 도 8b는 도 8a의 결과 중에서 스핀파 도파로 부분에 대한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8a는 자기 소용돌이 스핀 구조를 가지는 스핀파 발생부(101)에 특정 크기의 정적인 자기장을 인가, 자기 소용돌이와 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 이동을 유발, 두 구조의 소멸을 통하여 발생시킨 스핀파를 시간의 경과에 따라 보여준다. 도 8b는 스핀파 발생부(101)에서 발생된 스핀파가 시간의 경과에 따라 스핀파 도파로(103)를 통해 전파되는 것을 보여준다.
이제 스핀파 소자를 구성하는 각 부분에 대한 세부적인 설명 및 이들에 관한 바람직한 실시예들을 더 설명하기로 한다.
제2 실시예
도 2에 도시한 스핀파 소자에서 스핀파 발생부(101)는 원형의 박막 형상을 가지고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 스핀파 소자에서의 스핀파 발생부(101)의 형상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 스핀파 발생부(101)의 형상 및 치수를 결정할 때에는 상기에서 설명한 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 단독 혹은 함께 안정한 상태로 존재하도록 해야 한다.
도 9는 본 발명에 따른 스핀파 소자에서의 스핀파 발생부의 형상으로서 가능한 형상들을 예시적으로 보여주고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 스핀파 발생부 형상의 예는 사각형, 원형, 삼각형, 모서리가 원호형으로 파진 사각형, 모서리가 궁굴려진 삼각형, 직사각형, 땅콩형, 아령형, 좌우가 원호형으로 확장된 직사각형 등이 될 수 있다.
제3 실시예
에너지 공급부(102)는 스핀파 발생부(101)에 에너지를 공급해주는 부분으로서, 여기서의 에너지는 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 중 어느 하나가 단독 혹은 복합적으로 스핀파 발생부(101)에 작용하여 국부적 토크의 형성을 유발하게 된다. 에너지 공급부(102)는 가해주는 에너지의 형태에 따라 다양한 구조와 재료를 가질 수 있다.
먼저 도 10a는 에너지 공급부(102)가 자기장 에너지를 공급하는 경우에 대한 실시예 도면이다. 여기서 스핀파 발생부(101) 및 스핀파 도파로(103)는 기판(104) 위에 지지되어 있다. 에너지 공급부(102)는 구체적으로 스핀파 발생부(101) 아래 기판(104) 양측에 금속선으로 형성된 자기장 인가도선(201) 및 전원부(202)를 포함한다. 여기서는 전원부(202)를 이용해 자기장 인가도선(201)에 전류를 흘려 스핀파 발생부(101) 일부 혹은 전체에 자기장이 가해지도록 한다.
다음, 도 10b는 에너지 공급부(102)가 열 에너지를 공급하는 경우에 대한 실시예 도면으로서, 에너지 공급부(102)는 레이저 광원(203), 및 집속 렌즈(204)를 포함한다. 여기서는, 집속 렌즈(204)를 사용하여 레이저 광원(203)의 빔을 스핀파 발생부(101)에 집속하여 스핀파 발생부(101)에 열이 가해지도록 한다.
도 10c는 스핀 편광된 전자들의 스핀 토크에 의한 에너지 혹은 토크 작용을 이용하는 에너지 공급부(102)를 가진 스핀파 소자에 대한 도면으로서, 에너지 공급부(102)는 스핀파 발생부(101)의 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선(205), 제1 도선(205)과 소정의 각도를 이루며 스핀파 발생부(101)의 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선(206), 및 전원부(207)를 포함한다. 여기서는, 전원부(207)를 이용해 제1 및 제2 도선(205, 206)에 전류를 흘려 스핀파 발생부(101)에 스핀 편광된 전류에 의한 토크 작용에 의한 에너지가 가해지도록 한다. 도면에는 두 개의 전원부(207)가 각각 제1 및 제2 도선(205, 206)에 연결된 것으로 도시하였지만 전원부(207)의 구성이 이로부터 얼마든지 달라질 수 있음을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
도 10d는 자기 탄성 에너지를 가해주는 에너지 공급부(102)를 가진 스핀파 소자에 대한 도면이다. 도 10d를 참조하면, 도 10c에서와 같은 구조에 압전체(208)를 더 포함하며, 압전체(208)는 스핀파 발생부(101) 하부에 접합되어 있다. 전원부(207)를 이용해 제1 및 제2 도선(205, 206)에 전류를 흘려 압전체(208)에 전압을 인가하면 압전체(208)에 탄성 변형이 일어나고 이를 통하여 스핀파 발생부(101)에 자기 탄성 에너지를 공급할 수 있게 된다.
이 외에, 에너지 공급부(102)가 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리 등의 에너지를 스핀파 발생부(101)에 공급하도록 구성할 수 있으며 그 때의 세부적인 구성은 당업자에 의해 쉽게 실시, 변경될 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제4 실시예
스핀파 도파로(103)는 스핀파 발생부(101)에서 발생한 스핀파가 공간적으로 전달되도록 하는 매체 역할을 한다. 스핀파 발생부(101)에 하나 혹은 여러 개의 스핀파 도파로(103)의 한쪽 끝을 연결하고 다른 쪽 끝은 다른 스핀파 소자와 연결하면 스핀파 발생부(101)에서 발생된 스핀파가 다른 스핀파 소자에 전달되도록 구성할 수 있다. 도 11은 이러한 실시예에 따른 스핀파 소자의 예를 보여준다.
도 11에 도시한 스핀파 소자는 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 유닛(unit)을 복수개 포함하는 것으로, 예로써 도시된 것은 정사각형의 스핀파 발생부를 포함하는 제1 유닛(301), 다른 정사각형의 스핀파 발생부를 포함하는 제2 유닛(302) 및 원형의 스핀파 발생부를 포함하는 제3 유닛(303)이다. 이들 제1 내지 제3 유닛(301, 302, 303) 사이는 스핀파 도파로(103)에 의해 스핀파 발생부(101)에 서로 연결되어 있다. 예를 들어, 스핀파 발생부(101)에서 발생된 스핀파는 스핀파 발생부(101)와 제1 유닛(301) 사이의 스핀파 도파로(103)에 의해 제1 유닛(301)에 전달된다. 스핀파 전달의 효율을 높이기 위하여, 스핀파 도파로(103) 중 일부는 곡선과 같은 여러 형태가 가능하다.
초고속 정보 처리 소자로서의 스핀파 소자
본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에 의해 발생시킨 스핀파는 그 속도가 매우 빠르기 때문에, 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 복수개의 유닛 사이를 스핀파 도파로에 의해 연결하여 정보 처리 소 자로 구현시 정보 처리 속도가 매우 빨라진다. 따라서, 초고속 정보 처리용 소자로서 적합하다. 이 때, 각 유닛은 스핀파의 파동 인자를 신호로 이용하여 논리 연산을 수행하도록 연결되며, 그 연결 관계를 적절히 변형시켜 OR 게이트, XOR 게이트, NOR 게이트, AND 게이트, NAND 게이트, 인버터 등의 논리 연산 수단 및 이들의 조합을 구현할 수 있다. 파동 인자는 스핀파의 주파수, 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 스핀파의 중첩, 반사, 굴절, 투과, 방사, 회절, 간섭의 어느 한쪽 혹은 복합적인 작용을 이용하여 파동 인자의 변화로 논리 연산을 수행하도록 구성한다.
우선 스핀파의 파동적 성질을 살펴보도록 한다. 도 12a 내지 도 12d, 도 13a 내지 도 13e는 본 발명에서 제안한 방법으로 발생시킨 스핀파의 파동적 성질을 알아보기 위해 본 발명자들이 자성 박막을 모델로 실시한 미소 자기학 전산모사 결과이다.
우선 도 12a 내지 도 12d의 실시예를 통하여 스핀파의 전파, 반사, 투과 특성을 살펴보도록 한다. 전산모사 방법은 다음과 같다.
도 12a와 같이 좌측에 퍼멀로이로 구성된 스핀파 발생부(101)로부터 스핀파를 발생시키고, 스핀파 발생부(101)에서 발생된 스핀파를 퍼멀로이로 이루어진 스핀파 도파로(103)에 주입하였다. 이 때 퍼멀로이로 구성된 스핀파 도파로(103) 내부에 Fe로 구성된 도파관(105)을 삽입시키면, Fe 도파관(105)은 퍼멀로이와는 이종의 자성 물질이므로, 퍼멀로이와는 상이한 고유 상수(포화자화, 자기 이방성 상수, 교환결합상수, 감소계수 등)를 갖는다. 이 때문에 퍼멀로이 스핀파 도파로(103)와 는 상이한 에너지 장벽을 형성하며, 에너지 장벽으로부터 스핀파의 반사, 투과, 터널링(tunneling)이 일어난다. 따라서, 진행하는 스핀파의 주파수를 선택적으로 여과(filtering)하거나, 진행하는 스핀파의 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합 중 어느 하나를 변화시킬 수 있게 된다.
도 12b는 이종자성 물질로 이루어진 도파관 삽입시 주파수에 따른 스핀파의 반사, 투과, 터널링(tunneling)을 나타내는 도면이다.
도 12b를 살펴보면, y축은 주파수이고 x축은 스핀파 발생부(101) 중심으로부터의 거리 x이다. 퍼멀로이 스핀파 도파로(103) 내부에서는 14㎓ 이상의 스핀파가 존재 가능하나, x = 300 ~ 400 (nm) 영역에 Fe 도파관(105)을 삽입하면 Fe 도파관(105) 내부로 스핀파 입사시 25㎓ 이하의 스핀파는 내부로 진입하지 못하고 반사하게 되며 25㎓ 이상의 스핀파는 Fe 도파관(105)을 투과 후 전파하고 있다.
도 12c 및 도 12d는 시간이 1 ns일 때 20㎓(A-A'), 26㎓(B-B') 스핀파를 그 전파 방향을 기준으로 나누어 그들의 분포를 나타낸 것이다. 도 12c를 참조하면, 퍼멀로이 스핀파 도파로(103) 내부에서 전방(forward)으로 전파하는 20㎓의 스핀파는 Fe 도파관(105)을 만나 그 진폭이 감쇄하여 더 이상 진행하지 못하고 후방(backward)으로 모두 반사되나, 도 12d를 참조하면, 26㎓의 스핀파는 Fe 도파관(105)을 만나 일부는 반사되고 일부는 투과됨을 관찰할 수 있다. 이렇게 도 12a에서와 같이 이종의 자성 물질 조합으로 이루어진 도파로는 도 12b에서 보인 바와 같이 주파수 여과(filtering) 작용이 가능하며, 이를 이용하면 스핀파 필터로 적용이 가능하다.
도 13a 내지 도 13e는 앞서 언급한 스핀파의 전파, 반사, 투과를 이용하여 스핀파의 간섭 특성을 알아보기 위해 본 발명자들이 자성 박막을 모델로 실시한 미소 자기학 전산모사 결과이다.
도 13a와 같이 좌측에 퍼멀로이로 구성된 스핀파 발생부(101)로부터 스핀파를 형성하고, B, C 부분에 동일한 위상을 가지며 전달되도록 Y 형태의 대칭형 퍼멀로이 스핀파 도파로(103)를 형성하였다. 스핀파 도파로(103)는 앞에서 기술한 바와 같이 곡선의 형태로 형성하여 전달 효율을 높이고 또한 퍼멀로이 이외에 Fe 도파관(105)을 삽입하여 일정 영역 이하의 주파수 대역의 스핀파를 여과하였다.
이렇게 서로 동일한 특성을 지니는 스핀파가 도 13b 및 도 13c에 나타난 바와 같이 결맞는(coherent) 상태로 B, C 지점(upper path, lower path)에 도달하게 되면 동일한 파동 인자의 스핀파가 B, C 지점에서 우측의 큰 퍼멀로이 강자성 박막(106)으로 방사하게 된다. 이것은 빛의 파동성을 증명하기 위해 행하였던 영(Young)의 이중슬릿 실험과 동일한 실험으로써, 스핀파의 파동성을 보여주는 전산모사 결과가 된다.
도 13d 및 도 13e는 도 13a에 점선 박스 표시된 A 영역 내부에서 시간이 1 ns일 때 37㎓ Mz 값의 분포를 나타내는 것으로서, 방사된 두 스핀파의 중첩현상에 의해서 생기는 간섭무늬를 확인할 수 있다.
다음으로 스핀파의 파동 인자를 제어하는 원리와 방법에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 앞에서 상기 서술한 바와 같이 스핀파는 각 개별 스핀의 세차 운동이 스 핀들간의 상호작용에 의해 나타나는 파동적 거동을 일컫는 말이다. 이것은 각 개별 스핀의 세차 운동을 결정하는 유효 자장, 고유 상수와 스핀들간의 상호 작용이 스핀파의 파동 인자를 결정하게 된다는 것을 의미한다. 유효 자장과 각 스핀간의 상호 작용에 영향을 미치는 요인으로는 외스테드 필드(Oersted field), 스트레이 필드(stray field), 탄성 변형, 다른 물질과의 교환결합, 전류, 스핀 토크와 같은 외부적 요인과 교환결합력, 자기 이방성 상수와 같은 고유 상수와 도파로의 외형적 특성 등이 있다. 본 발명에서는 이러한 요소들을 제어하여 스핀파의 파동 인자, 특히 위상을 제어하는 방법을 제공한다.
도 14a 내지 도 14d는 도파로의 고유 상수와 외형적 특성, 유효 자장에 의한 스핀파의 분산 관계 변화를 나타낸다. 스핀파의 분산 관계는 스핀파 도파로를 진행하는 스핀파의 파장과 주파수와의 관계를 나타내는데, 이로부터 주어진 주파수의 스핀파가 주어진 조건(여기서는 스핀파 도파로의 고유 상수와 외부적 요인)에 대하여 어떠한 파장을 가지게 되는가를 알 수 있다.
먼저, 도 14a는 스핀파 도파로의 자성체 고유 상수에 따른 분산 관계 변화 결과를 도시한다.
도 14a를 참조하면, 고유 상수인 포화자화값(Ms)과 교환결합상수(A)에 따라 주파수 및 파수가 달라지는 것을 보여주고 있다. 스핀파 도파로를 지날 때에 주파수는 고정되어 있으므로, 고유 상수가 달라지는 부분에서는 파수가 바뀌게 된다. 즉, 파장(위상)이 바뀌게 되는 것이다. 도 14a를 더 살펴보면, Ms는 동일한데 A가 감소하는 경우에는 파수가 증가하고, Ms가 동일한데 A가 증가하는 경우에는 파수가 감소한다. A는 동일한데 Ms가 증가하는 경우에도 파수가 감소한다.
도 14b는 스핀파 도파로에 미치는 유효 자장의 크기와 방향에 따른 분산 관계 변화 결과를 도시한다.
도 14b를 참조하면, 유효 자장에 따라 주파수 및 파수가 달라지는 것을 보여주고 있다. 유효 자장이 양으로 증가하는 경우에는 파수가 감소하며, 유효 자장이 음으로 증가하는 경우에는 파수가 증가한다. 따라서, 유효 자장에 따라 파장(위상)을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 14c와 도 14d는 스핀파 도파로의 형상에 따른 분산 관계 변화를 도시한다. 먼저 도 14c를 참조하면, 스핀파 도파로의 너비에 따라 주파수 및 파수가 달라지는 것을 보여주고 있으며, 특히 너비가 증가할수록 파수가 증가한다. 도 14d를 참조하면, 스핀파 도파로의 두께에 따라 주파수 및 파수가 달라지는 것을 보여주고 있으며, 주파수 20㎓ 이상에서는 두께가 증가할수록 파수가 증가한다.
도 14a 내지 도 14d로부터, 진행하는 스핀파의 국부적 영역에 도파관을 삽입하고 그 도파관의 형상, 치수 및 자성 물질 중 적어도 어느 하나를 변화시키거나, 혹은 외부 요인의 변화로 유효 자장을 변화시켜 스핀파의 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합 중 어느 하나를 변화 내지 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 15a는 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로의 국부적 영역에 유효 자장 변화가 발생한 상태의 도면이다. 도 15a를 참조하면, 스핀파가 진행하는 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 스핀파 도파로(103)와 다른 고유 상수를 가지는 도파관이 삽입되어 있거나 혹은 형상이 다른 도파관이 삽입되어 있거나 혹은 다른 방법에 의해 유효 자장이 변화되어 있는 부분을 포함한다.
스핀파 도파로(103)와 다른 고유 상수를 가지는 이종 자성 물질로 된 도파관(105)을 삽입한 예는 도 12a 내지 도 12d를 참조하여 이미 설명하였다. 이미 설명한 바와 같이, 이러한 이종 도파관(105) 삽입에 따라 스핀파 필터로의 적용이 가능할 뿐만 아니라, 여기서 설명하는 바와 같이 스핀파의 위상 제어가 가능하다. 도파관(105)은 자성체로 이루어져 있으며 스핀파 도파로를 구성하고 있는 자성체와는 다른 고유 상수를 가지고 있어야 한다. 도 14a의 분산 관계에서 알 수 있듯이 주어진 주파수의 스핀파에 대한 파장은 포화자화값, 교환결합상수에 의해 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한 당업자라면 자기 이방성 상수 또한 스핀파의 거동에 동일한 효과를 줄 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도파관(105) 삽입 이외의 방법으로 유효 자장을 변화시키는 것은, 외스테드 필드(Oersted field), 스트레이 필드(stray field), 탄성 변형, 다른 자성 물질과의 교환 결합, 전류, 스핀 토크 및 자구벽의 존재 중 어느 하나에 의해 가능하며, 각각의 실시예에 관해서는 다음에 상세히 설명하기로 한다.
다음으로 도 15b는 도 15a에서 나타낸 도파관을 지나가는 스핀파의 전파, 도파관을 지나지 않는 스핀파의 전파 및 도파관을 지나는 스핀파와 지나지 않는 스핀파의 전파를 비교하기 위해 동시에 나타낸 실시예 도면이다.
도 15b에서 (a)는 스핀파 도파로(103)를 진행하는 스핀파가 상기 서술한 국부적 영역(221)을 통과할 때 스핀파의 파장이 달라지는 것을 나타낸다. 국부적 영역(221)을 통과하고 난 후 진행하는 스핀파의 경우 원래의 파장을 회복하게 되지만 상기의 국부적 영역(221)이 존재하지 않는 스핀파 도파로의 경우에는 파장이 (b)와 같이 일정하여, (a)와 (b)에서 위상차가 발생한다. 따라서, (c)에서 보는 바와 같이 위상차가 180도가 되도록 이 두 스핀파를 중첩하는 소자를 구성하게 되면 두 스핀파는 상기에서 서술한 스핀파의 파동적 성질 중 중첩의 원리에 의해 서로 소멸 간섭을 일으켜 사라지게 된다. 이것은 상기에서 서술한 스핀파 인자 중 스핀파의 진폭을 신호로 할 때 스핀파의 파장, 결과적으로 위상을 제어하고 스핀파의 중첩원리를 이용하여 신호를 제어하는 하나의 실시예가 된다.
이제, 이종 도파관(105) 삽입 이외의 방법으로 유효 자장이 변화되어 있는 부분을 포함함으로써, 국부적 영역에서 스핀파의 파장 변화를 통해 위상을 변화시킬 수 있는 방법에 대한 구체적 실시예들을 살펴보면 다음과 같다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로에 도파관의 형상변화로 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면 스핀파 도파로(103)보다 너비 및 두께가 좁아진 도파관(105a)을 삽입하여, 스핀파 도파로의 형상 변화를 이용하여 스핀파의 파동 인자, 특히 위상을 제어한다. 도 14c와 도 14d의 분산 관계를 참조하면 주어진 주파수의 스핀파에 대한 파장은 도파관의 두께와 너비에 따라 변하게 된다. 도 16을 참조하면 도파관(105a)의 두께나 너비 혹은 둘 다를 스핀파 도파로(103)와 다르게 함으로써 스핀파 도파로(103)를 통과하는 스핀파의 위상을 제어하게 된다. 즉, 삽입된 도파관(105a)의 형상 혹은 치수를 변화시켜 진행하는 스핀파의 파장, 진폭, 위상, 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 변화시킬 수 있다. 도파관(105a)은 스핀파 도파 로(103)와 동종의 자성 물질이어도 된다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 스핀파 도파로에 다른 자성물질을 접합하여 그 계면과의 교환 결합력에 의해 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 접합되어 있는 자성층(223)의 계면과의 교환 결합력에 의해 스핀파의 위상을 변화시킨다. 교환 결합력은 국부적 영역(221)의 유효 자장의 변화를 가져오며 이는 상기 서술한대로 진행하는 스핀파의 위상을 변화시키게 된다. 자성층(223)은 강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, CMR계 자성체, 호이슬러 합금계 자성체, 자성 반도체 및 이의 복합구조로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기에서 설명한 위상 제어 방법은 도파관의 고유 성질이나 형상을 이용하는 것으로서 후술하게 될 위상 변조 장치 중 정적 위상 변조 장치로 응용이 가능하다. 다음에서는 상기의 방법과 달리 입력하는 신호에 따라 스핀파의 위상 변화를 제어하는 방법을 설명하도록 한다.
도 18a는 스핀파 도파로에 형성된 자구벽으로 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 18a를 참조하면, 스핀파 도파로(103)에 자구벽(225)이 존재하도록 한다. 자구벽(225)은 90도, 180도, 360도 자구벽, 블록(Bloch), 닐(Neel) 형태의 자구벽 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 자구벽(225)을 통과하는 스핀파의 파장은 자구벽(225)에 형성된 유효 자장에 의해 변형되게 된다. 본 발명은 단순한 자구벽(225) 이용에 그치지 않고, 자구벽(225)을 스핀파 도파로(103)에 삽입하거나 제거함으로써 유효 자장을 변화시키는 방법도 제안한다.
도 18b는 본 발명의 실시예에 따라 도선에 흐르는 전류에 의한 외스테드 필드(Oersted field)로 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이고, 도 18c는 본 발명의 실시예에 따라 자구벽 도파로에 흐르는 전류에 의해 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이며, 도 18d는 본 발명의 실시예에 따라 자구벽 도파로에 강한 스핀파를 입사시켜 자구벽을 스핀파 도파로에 삽입 및 제거하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
먼저 도 18b를 참조하면, 스핀파 도파로(103)에 자구벽(225)이 이동할 수 있는 자구벽 도파로(227)의 양단을 연결하여 자구벽(225)을 스핀파 도파로(103)에 삽입하거나 제거할 수 있도록 하여 후술할 동적 위상 변환 장치로 사용이 가능하도록 한다. 자구벽(225)을 이동하기 위해서는 스핀파 도파로(103)에 수직으로 신장하여 전류가 흐르는 자기장 인가 도선(230)을 더 포함시키고, 자구벽 도파로(227)가 이를 감싸도록 스핀파 도파로(103)에 양단을 연결한다. 자기장 인가 도선(230)에 전류를 흘려 자기장 인가 도선(230) 주변에 외스테드 필드(Oersted field)를 형성시켜 자구벽(225)을 이동시킨다.
다른 방법으로는, 도 18c에서와 같이 자구벽(225)이 이동할 수 있으며 스핀 파 도파로(103)에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로(227)를 두고, 자구벽 도파로(227)의 양단 중 어느 하나의 단에 전원부(232)를 연결하여, 자구벽 도파로(227)에 전류를 흘려주어 자구벽(225)을 이동시키는 것이 있다.
또한 도 18d에 도시한 바와 같이 자구벽(225)이 이동할 수 있으며 스핀파 도파로(103)에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로(227)를 두고, 자구벽 도파로(227)의 양단 중 어느 하나 혹은 양단에 추가의 스핀파 발생부(101a)를 연결하여, 추가의 스핀파 발생부(101a)에서 발생한 강한 스핀파를 자구벽 도파로(227)에 전파시킴으로써 자구벽(225)을 이동시키는 방법도 가능하다.
이상의 도 18b 내지 도 18d와 같이, 자구벽(225)을 스핀파 도파로(103)에 삽입하여 진행하는 스핀파의 위상을 변화시키거나 자구벽(225)을 제거하여 위상을 변화시키지 않을 수 있다. 이와 같이, 전원부(232)나 자기장 인가 도선(230)의 전류, 스핀파 발생부(101a)를 입력 신호로 하여 스핀파 도파로(103)를 진행하는 스핀파의 위상을 변화시킬지 아닐지를 제어할 수 있게 되므로, 동적 위상 변환 장치로 응용이 가능하다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 국부적 영역에 외스테드 필드를 스핀파 도파로에 인가하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 외스테드 필드를 인가하여 유효 자장의 변화를 줌으로써 스핀파의 위상을 제어한다. 구체적으로, 전원부(234)를 이용하여 스핀파 도파로(103)를 가로지르는 자기장 인가 도선(236) 에 전류가 흐르게 되면 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 외스테드 필드가 강하게 인가되면서 유효 자장이 변화된다. 그러면, 스핀파의 파장은 도 14b의 분산 관계 변화로부터 확인할 수 있듯이 유효 자장의 세기와 방향에 따라서 주어진 주파수의 스핀파에 대한 파장이 변하게 된다. 이로부터 전류의 세기와 방향을 조절함으로써 상기 서술한 바와 같이 스핀파의 위상이 제어된다. 또한 전원부(234)를 입력신호로 하는 동적 위상 변환 장치로 응용할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 국부적 영역에 자구벽에 의한 스트레이 필드를 스핀파 도파로에 인가하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 자구벽(225) 주위에 형성된 스트레이 필드에 의한 유효 자장의 변화로 스핀파의 위상을 제어한다. 구체적으로, 자구벽(225) 근처에서는 그 주변과는 달리 매우 강한 스트레이 필드가 국소적으로 형성된다. 본 발명에서는 이렇게 형성된 스트레이 필드를 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 인가하여 유효 자장을 변화시켜 스핀파의 위상을 제어하게 된다. 여기서 자구벽(225)은 스핀파 도파로(103)의 아래에 스핀파 도파로(103)와 소정의 각도를 이루며 수평으로 신장하는 자구벽 도파로(227)를 따라 움직이게 되는데, 움직이는 방법은 도 18b, 18c 및 18d에 기술한 방법과 동일하게 외부 자장을 가하거나 전류를 흘려주거나 강한 스핀파를 발생시켜서 한다. 즉, 자구벽(225)에 의한 스트레이 필드는 국부적 영역(221)에서만 형성되므로 자구벽(225)을 스핀파 도파로(103)의 근처에 위치시키느냐 벗어나게 하느냐에 따라 스핀파 도파로(103)를 진행하는 스핀파의 위상을 변화 시키거나 그렇지 않거나를 제어할 수 있어 동적 위상 변환 장치로 이용이 가능하다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 스핀 토크를 이용하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 21을 참조하면, 스핀파 도파로(103)의 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선(240)과 스핀파 도파로(103) 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선(242)에 전류를 흘린다. 그러면 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 스핀 편광된 전자들의 스핀 토크에 의한 유효 자장 변화 혹은 토크 작용에 의해 스핀파의 위상을 변화시키게 된다. 여기서 스핀파의 위상 변화 정도와 여부는 제1 및 제2 도선(240, 242)에 흐르는 전류의 양과 방향으로부터 제어가 가능하여 동적 위상 변환 장치로 이용이 가능하다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 탄성 변형을 이용하여 스핀파의 위상을 변화시키는 소자의 핵심 부분을 나타내는 도면이다.
도 22에서 보는 바와 같이, 도 21에서와 같은 구조에 압전체(244)를 더 포함하게 된다. 스핀파 도파로(103)와 제1 도선(240) 사이 또는 스핀파 도파로(103)와 제2 도선(242) 사이에 압전체(244)를 포함시킬 수 있다. 즉, 스핀파 도파로(103)의 국부적 영역(221)에 압전체(244)를 삽입하여 두고, 제1 및 제2 도선(240, 242)에 전압을 가함으로써 압전체(244)의 탄성 변형을 일으켜 이 변형으로부터 국부적 영역(221)의 탄성 변형을 유발하면 역자왜효과(inverse magnetostriction)에 의해 국부적 영역(221)의 자기 이방성과 자화방향이 변하게 된다. 그리고, 이는 고유 상수 변화와 같은 원리로 국부적 유효 자장 변화를 가져와 스핀파의 위상 변화를 가져오게 된다. 제1 및 제2 도선(240, 242)에 가해지는 전압을 조절하여 압전체(244)의 탄성 변형을 제어할 수 있어 가해주는 전압을 입력신호로 하여 스핀파의 위상 변화를 제어하는 동적 위상 변환 장치로 이용될 수 있다.
기본적으로 본 발명에서와 같이 발생시킨 스핀파가 존재할 경우의 상태를 "1"이라고 하고 스핀파가 없을 때의 상태를 "0"이라고 하여 "0"과 "1"을 구분할 수 있으며, 스핀파가 없을 때의 상태는 스핀파를 아예 발생시키지 않거나, 상기 서술한 방법으로 스핀파의 파동 인자를 제어하여 위상차가 180도인 두 개의 스핀파를 도 13a 내지 도 13e에서 본 바와 같이 중첩으로 소멸시킴으로써 만들 수 있다.
이하에서는 본 발명의 스핀파 소자를 이용하여 OR 게이트, XOR 게이트, NOR 게이트, AND 게이트, NAND 게이트, 인버터 등의 논리 연산 수단을 구성하는 예를 설명하기로 한다. 이러한 논리 연산 수단을 적절히 조합하면 어떤 종류의 논리 연산도 가능해진다.
먼저 도 23a는 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 OR 게이트의 개념도이고 도 23b는 이러한 OR 게이트를 구현하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자의 실시예 도면이다.
도 23a를 참조하면 OR 게이트는 잘 알려진 바와 같이, A, B의 쌍이 "1", "1"일 때, "1", "0"일 때, 그리고 "0", "1"일 때 out이 "1"이 되며, A, B의 쌍이 "0", "0"일 때 out은 "0"이 된다.
다음 도 23b를 참조하면, 스핀파 발생부 및 에너지 공급부(예를 들어, 도 10a에서 설명한 바와 같이 자기장 인가도선과 전원부)로 이루어진 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402) 사이가 두 개의 곡선형 스핀파 도파로(103) 및 이들이 통합된 결합 스핀파 도파로(403)에 의해 연결되어 있다. 두 개의 스핀파 도파로(103)는 서로 동일한 길이를 가진다. 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402)은 스핀파 신호 입력부가 되고, 스핀파 도파로(403) 단부에는 스핀파 신호 출력부(404)가 있다.
제1 유닛(401)과 제2 유닛(402)에서 에너지 공급에 의해 스핀파를 발생시키면 스핀파는 스핀파 도파로(103)를 통해 진행하며 결합 스핀파 도파로(403)에서 파동 특성인 중첩의 원리에 의해 논리 연산을 수행하게 된다. 전술한 바와 같이 "0"과 "1"의 출력 신호는 스핀파 신호 출력부(404)에서의 스핀파 존재 유무가 되는데, 도 23b에 도시한 소자에서 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402)에 동시에 에너지 공급에 의한 신호 "1"이 입력되면 각각에서 스핀파가 발생하여 스핀파 도파로(103)를 거쳐 결합 스핀파 도파로(403)로 진행하게 된다. 이 때 두 스핀파 도파로(103)의 길이가 동일하므로 각 스핀파 도파로(103)를 통해 진행된 두 스핀파는 결합 스핀파 도파로(403)에서 동일한 위상을 가지고 중첩된다. 따라서, 결합 스핀파 도파로(403)에 스핀파가 존재하게 되므로 스핀파 신호 출력부(404)에서 "1"의 신호를 출력한다.
입력 신호가 한쪽만 "1"인 경우, 즉 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402) 중에 어느 한쪽에서만 스핀파가 발생한 경우에는 결합 스핀파 도파로(403)에서 중첩이 없이 스핀파가 존재하므로 역시 "1"의 신호를 출력한다. 입력 신호가 없는 "0"의 경우, 즉 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402) 중 어느 쪽도 스핀파가 발생되지 않으므로 "0"을 출력한다. 이렇게 하여 본 소자는 OR 게이트가 된다.
도 24는 인버터(즉, NOT 게이트)의 개념도이다. 동그라미는 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)이며, 속이 채워진 세모는 동적 위상 변환 장치(505)로서 두 방향으로부터의 스핀파 주입에 의해서만 스핀파의 위상이 180도 변환된다. 즉, 동적 위상 변환 장치(505)는 자극이 되는 신호를 여기에 인가하여야 이 부분을 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환된다. 상기에서 자세하게 서술한 스핀파 위상 변환 방법들을 응용하여 동적 위상 변환 장치(505)를 구성할 수 있음을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
도 24에서 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉘어져 하나는 동적 위상 변환 장치(505)를 지난다. 이 때 입력 A에 "1"의 신호를 줄 경우(바람직하게 본 발명에서와 같이 스핀파 발생부와 에너지 공급부로 이루어진 유닛을 이용하여 발생시킨 스핀파를 입력 신호로 이용함.) 동적 위상 변환 장치(505)를 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환되므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "0"의 상태가 된다. 한편, 입력 A가 "0"인 경우 동적 위상 변환 장치(505)를 지나는 스핀파의 위상이 변환되지 않으므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "1"의 상태가 된다. 본 발명에 따른 스핀파 소자를 응용하여 이러한 인버터를 실제 구현하는 것은 복수개의 유닛을 스핀파 도파로로 연결하여 쉽게 할 수 있음을 당업자라면 알 수 있을 것이며, 도 24에서 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)는 스핀파 발생부 및 에너지 공급부(예를 들어, 도 10a에서 설명한 바와 같이 자기장 인가도선과 전원부)로 이루어진 제1 유닛, 실선은 스핀파 도파로, 입력 A는 제2 유닛에 대응된다고 보면 된다.
도 25a는 본 발명의 실시예에 따라 외스테드 필드에 의한 스핀파의 위상 변화를 이용한 인버터 게이트의 실시예를 나타내는 도면이고, 이에 대한 미소자기 전산모사 결과가 다음 도 25b 내지 도 25e에 제시되어 있다.
우선 도 25a를 보면 연속적으로 발생된 스핀파가 수평의 두 갈래로 갈라지는 스핀파 도파로(103)를 통과하게 되는데 두 갈래 스핀파 도파로(103) 사이에 스핀파 도파로(103)와 수직으로 전류가 흐르는 자기장 인가 도선(230)을 두어, 자기장 인가 도선(230)에 전류가 흐르는 경우(도 24에서 입력 A에 신호가 입력된 경우와 동일함)에 자기장 인가 도선(230) 주변에 원형으로 외스테드 필드가 형성이 되며 이는 두 갈래의 스핀파 도파로(103)에 다른 방향의 외부 자장이 인가되는 역할을 하여 두 스핀파 도파로(103)를 진행한 스핀파의 위상차를 효과적으로 주게 된다. 따라서 적정한 전류 세기를 통하여 두 스핀파의 위상차를 180도로 줄 수 있으며 합쳐서 나온 스핀파는 서로간의 상쇄 간섭에 의해 소멸되어 "0"의 상태가 된다. 반면 두 갈래 스핀파 도파로(103) 가운데 위치한 자기장 인가 도선(230)에 전류가 흐르지 않는 경우 연속적으로 발생된 스핀파가 두 갈래 스핀파 도파로(103)를 통과할 때에도 위상이 변환되지 않으므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 보강 간섭에 의해 "1"의 상태가 된다.
도 25b는 외스테드 필드를 이용한 스핀파 인버터 게이트의 구동을 전산모사하기 위한 모델 구조의 도면으로서, 실제 이 형상을 이용하여 전산모사를 실시하였다.
도 25c는 외스테드 필드의 크기 분포와 방향에 대한 결과를 나타내는 실시예 도면이다. 도 25c를 보면, 자기장 인가 도선(230)에 전류가 흐를 때 형성되는 외스테드 필드의 세기와 방향 분포를 알 수 있다.
도 25d는 도선에 가해지는 전류 크기에 따라 스핀파의 위상이 변하는 것을 나타내는 실시예 도면이다.
도 25d를 참조하면, 도 25b에서 각각 두 갈래 스핀파 도파로(103)의 가운데 위치한 지점 "A" 와 "B"에서의 시간에 따른 스핀파의 진폭 변화를 나타낸다. 이로부터 두 갈래의 스핀파 도파로(103)를 진행하는 스핀파가 전류의 세기에 따라 어떠한 위상차를 보여주는지를 알 수 있다.
도 25e는 스핀파 인버터 게이트의 출력신호가 전류 입력 신호에 따라 스핀파의 간섭을 조절하여 인버터 게이트 동작을 하게 되는 실시예 도면이다.
도 25e를 참조하면, 두 갈래의 스핀파 도파로(103)를 따라서 진행한 각각의 스핀파가 합쳐져서 진행하는 지점인 "C"에서 시간에 따른 스핀파의 진폭 변화를 보여주는 그래프로 전류가 흐를 때 상쇄 간섭이 일어나고 있으며 스핀파의 전류가 흐르지 않을 때 보강 간섭이 일어남을 알 수 있다.
도 25f는 인버터 게이트의 다른 구조를 나타내는 실시예로, 상하로 갈라지는 두 갈래의 스핀파 도파로(103)를 두고 그 사이에 스핀파 도파로(103)와 특정 각을 이루며 수평으로 신장하는 방향으로 전류가 흐르는 자기장 인가 도선(203)을 두어, 자기장 인가 도선(230)에 전류가 흐르는 경우에 자기장 인가 도선(230) 주변에 원형으로 외스테드 필드가 형성이 되도록 한 것이다. 형성된 외스테드 필드는 두 갈래의 스핀파 도파로(103)에 다른 방향의 외부 자장이 인가되는 역할을 하여 두 스 핀파 도파로(103)를 진행한 스핀파의 위상차를 효과적으로 주게 된다. 이 구조는 소자의 제작에 있어 상기의 수직으로 신장하는 자기장 인가 도선의 구조보다 좀 더 용이하다.
도 26은 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 NOR 게이트의 개념도이다. 도 26을 보면, NOR 게이트는 도 23a의 OR 게이트와 도 24의 인버터의 순차적 배열임을 알 수 있다.
도 26에서 A, B의 쌍이 "1", "1"일 때, "1", "0"일 때, 그리고 "0", "1"일 때 동적 위상 변환 장치(505)에 자극 신호 "1"을 줄 수가 있다. 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉘어져 하나는 동적 위상 변환 장치(505)를 지나므로 이 스핀파는 180도 위상 변환된다. 다른 갈래의 스핀파는 위상 변화가 없으므로 이 둘이 합쳐진 출력은 "0"이 된다. A, B의 쌍이 "0", "0"일 때에만 동적 위상 변환 장치(505)로의 신호 입력이 "0"이 된다. 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나눠지지만 동적 위상 변환 장치(505)의 자극 신호가 없는 경우이므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐진 출력은 "1"이 된다. 본 발명에 따른 스핀파 소자를 응용하여 이러한 NOR 게이트를 실제 구현하는 것도 당업자라면 알 수 있을 것이다. 도 26에서 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)는 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 제1 유닛, 실선은 스핀파 도파로, 입력 A는 제2 유닛, 입력 B는 제3 유닛에 대응된다고 보면 된다.
도 27은 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 XNOR 게이트의 개념도이다. 연속 적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉜다. 입력 A에 "1"의 신호를 줄 경우 이것은 위쪽 동적 위상 변환 장치(505)의 자극 신호가 되므로, 위쪽 갈래의 스핀파의 위상을 180도 변환시킨다. 이제 입력 B에 "1"의 신호를 줄 경우, 이것은 아래쪽 동적 위상 변환 장치(506)의 자극 신호가 되므로, 아래 갈래의 스핀파의 위상을 180도 변환시킨다. 따라서, 위쪽 갈래의 스핀파와 아래쪽 갈래의 스핀파가 동일한 위상을 가지고 중첩되므로 out에 "1"의 신호를 출력한다. 입력 "A"는 1인데 입력 "B"가 "0"인 경우, 아래 갈래의 스핀파는 위상 변환없이 아래쪽 동적 위상 변환 장치(506)를 지나게 된다. 따라서, 위쪽 갈래의 스핀파와 아래쪽 갈래의 스핀파는 위상이 다르므로 중첩으로 소멸되어 출력은"0"이 된다. A, B의 쌍이 "0", "1"인 경우도 마찬가지로 위쪽 갈래의 스핀파와 아래쪽 갈래의 스핀파는 위상이 다르므로 중첩으로 소멸되어 출력은"0"이 된다. 두 입력신호 A 와 B 에 "0"의 신호를 주면 두 갈래의 스핀파 위상은 아무변화 없으므로 동일한 위상을 가지고 중첩되므로 out에 "1"의 신호를 출력한다.
도 28a는 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 XOR 게이트의 제1 개념도, 도 18b는 제2 개념도이며, 도 18c는 이러한 XOR 게이트를 구현하기 위한 본 발명에 따른 스핀파 소자를 응용한 XOR 게이트의 실시예 도면이다.
도 28a와 도 28b에서 동그라미는 도 24와 마찬가지로 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501, 502)이며, 속이 빈 세모는 정적 위상 변환 장치(503)로서, 이 부분을 지나면 스핀파의 위상이 180도 변환된다. 속이 채워진 세모는 동적 위상 변환 장치(505, 506, 507)이다.
먼저 도 28a를 참조하면, 도 27의 XNOR 게이트와 도 24의 인버터의 순차적 배열임을 알 수 있다. 좌측의 XNOR 게이트에 의해 생성된 출력신호는 우측 인버터에 의해 신호가 반전이 되어 XOR 게이트로 동작을 하게 된다.
도 28b를 참조하면, 좌측에 도시된 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉜다. 위쪽 갈래로 진행하는 스핀파는 정적 위상 변환 장치(503)를 지나면서 위상이 180도 변환된다. 입력 A에 "1"의 신호를 줄 경우 이것은 위쪽 동적 위상 변환 장치(505)의 자극 신호가 되므로, 위쪽 갈래의 180도 위상 변환된 스핀파의 위상을 다시 180도 변환시킨다. 따라서, 위쪽 갈래의 스핀파는 원래의 위상으로 돌아가게 된다. 이제 입력 "B"에 "1"의 신호를 줄 경우, 이것은 아래쪽 동적 위상 변환 장치(506)의 자극 신호가 되므로, 아래 갈래의 스핀파의 위상을 180도 변환시킨다. 따라서, 위쪽 갈래의 원래 위상의 스핀파와 아래쪽 갈래의 180도 위상 변환된 스핀파는 위상이 반대되므로 중첩 소멸되기 때문에 out에서의 출력은 "0"이 된다. 입력 "A"는 1인데 입력 "B"가 "0"인 경우, 아래 갈래의 스핀파는 위상 변환없이 아래쪽 동적 위상 변환 장치(506)를 지나게 된다. 따라서, 위쪽 갈래의 스핀파와 아래쪽 갈래의 스핀파는 위상이 동일한 것들이므로 중첩되어 나오는 출력은 "1"이 된다. 이상의 설명을 적용하여 A, B의 쌍이 "0", "1"일 때 out은 "1"이 되고, A, B의 쌍이 "0", "0"일 때 out은 "0"이 되는 것을 알 수 있을 것이다.
도 28c에 제시된 소자는 이러한 XOR 게이트를 구현하기 위한 간단한 소자의 예이며 도 23b에 도시한 소자의 변형예로 볼 수 있는데, 두 스핀파 도파로(103) 중 한쪽에 180도 위상 변환 장치(405)가 구비되어 있다. 제1 유닛(401)과 제2 유닛(402)에 "1"의 신호가 들어가면 스핀파가 발생하여 스핀파 도파로(103)를 거쳐 결합 스핀파 도파로(403)로 진행하게 되는데, 이 때 스핀파 도파로(103)의 길이가 동일하고 한쪽 스핀파 도파로(103)에만 180도 위상 변환 장치(405)가 있어서 두 스핀파는 결합 스핀파 도파로(403)에서 180도 다른 위상을 가지고 중첩하게 되므로 스핀파가 서로 상쇄되어"0"의 신호를 출력하게 된다. 나머지 입력 신호의 경우는 도 23b의 OR 게이트 소자와 동일하므로 도 28c에 제시된 소자는 XOR 게이트로 동작하게 된다.
도 29는 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 NAND 게이트의 개념도이다.
도 29에서 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉘어져 하나는 동적 위상 변환 장치(505)를 지난다. 이 때 입력 A가 "1"이면 동적 위상 변환 장치(505)를 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환되므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "0"의 상태가 된다. 한편, 입력 B가 "1"인 경우 두 갈래로 나뉜 스핀파 중 동적 위산 변환 장치(506)를 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환되므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "0"의 상태가 된다. 양쪽으로부터 "0"이 합쳐져 출력되므로 출력은 "0"이다. A는 "1"이지만 B가 "0"일 때에는 동적 위산 변환 장치(506)를 지나는 스핀파의 위상 변환이 없으며 따라서 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "1"의 상태가 된다. 양쪽으로부터 각기"0"과 "1"이 합쳐져 출력되므로 출력은 "1"이다. 이상의 설명을 적용하여 A, B의 쌍이 "0", "1"일 때, 그리고 "0", "0"일 때에도 out이 "1"이 되는 것을 당업자라면 알 수 있 을 것이다. 또한, 본 발명에 따른 스핀파 소자를 응용하여 이러한 NAND 게이트를 실제 구현하는 것도 당업자라면 알 수 있을 것이다.
도 30a는 A, B를 입력, out를 출력으로 하는 AND 게이트의 제1 개념도이고, 도 30b는 제2 개념도다.
우선, 도 30a를 보면 도 29의 NAND 게이트와 도 24의 인버터와의 순차적 배열임을 알 수 있다. 즉, 위쪽의 NAND 게이트에서 발생된 신호는 아래의 인버터에 의해 신호가 반전이 되어 AND 게이트로 동작을 하게 된다.
도 30b에서는 우측 상단에 도시된 연속적으로 스핀파를 발생시키는 소자(501)에서 발생된 스핀파가 두 갈래로 나뉘어져 하나는 동적 위상 변환 장치(505)를 지난다. 이 때 입력 A가 "1"이면 동적 위상 변환 장치(505)를 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환된다. 나머지 갈래의 스핀파는 정적 위상 변환 장치(503)를 지나므로 역시 180도 위상 변환된다. 따라서, 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 180도 위상 반전된 스핀가가 존재하여"1"의 상태가 된다. 그런 다음, 다른 정적 위상 변환 장치(504)를 또 거치게 되므로 위상은 다시 반전되어 원래의 위상으로 돌아온다. 한편, 입력 B가 "1"인 경우 두 갈래로 나뉜 스핀파 중 동적 위상 변환 장치(506)를 지나는 스핀파의 위상이 180도 변환되므로 두 갈래의 스핀파가 합쳐져 나올 때는 "0"의 상태가 된다. 양쪽으로부터 각기 "1"과 "0"이 합쳐져 출력되므로 출력은 "1"이 된다. 이상의 설명을 적용하여 A, B의 쌍이 "1", "0"일 때, "0", "1"일 때, 그리고 "0", "0"일 때 out은 "0"이 되는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명에 따른 스핀파 소자를 응용하여 이러한 AND 게이트를 실 제 구현하는 것도 당업자라면 알 수 있을 것이다.
이상과 같은 OR 게이트, XOR 게이트, NOR 게이트, AND 게이트, NAND 게이트, 인버터 등의 논리 연산 수단을 조합하면 어떠한 논리 연산 소자도 설계가 가능하며 이로부터 스핀파를 이용한 논리 연산이 가능하게 된다.
이상, 본 발명의 상세한 설명을 하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 스핀파 발생 방법에 의하면 ㎚ 스케일의 파장을 가지며 수십 ㎓의 고주파 그리고 큰 진폭을 가지는 쌍극자-교환 스핀파를 소자 내에서 수십 ㎚ 크기의 영역에 국소적으로 발생시킬 수 있다. 또한, 이러한 방법을 이용하면 초고집적화 초소형화가 가능한 스핀파 소자를 형성할 수 있다. 이 스핀파 소자는 처리 속도가 매우 빠른 장점을 가지며, CMOS 기반의 정보 처리 방법을 대체할 수 있다.

Claims (46)

  1. 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 각각 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하는 단계; 및
    상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터, 혹은 두 소용돌이가 충돌하여 사라지면서 국소적으로 스핀파를 발생시키는 단계를 포함하는 스핀파 발생 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이가 단독 혹은 함께 존재하도록 상기 자성체의 형상 및 치수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀파 발생 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지는 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 스핀파 발생 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스핀파의 파동 인자를 제어하기 위해 상기 자성체의 종류, 형상 및 치수, 또는 상기 에너지 공급 방식 및 공급에너지의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 스핀파 발생 방법.
  5. 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 각각 단독 혹은 함께 존재하는 자성체에 에너지를 공급하는 단계; 및
    상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터, 혹은 두 소용돌이가 충돌하여 사라지면서 국소적으로 스핀파를 발생시키는 동시에, 생성된 스핀파와 동일한 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키는 단계를 포함하는 전자기파 및 스핀파 발생 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이가 단독 혹은 함께 존재하도록 상기 자성체의 형상 및 치수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 및 스핀파 발생 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 에너지는 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 전자기파 및 스핀파 발생 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 전자기파의 파동 인자를 제어하기 위해 상기 자성체의 종류, 형상 및 치수, 또는 상기 에너지 공급 방식 및 공급에너지의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 전자기파 및 스핀파 발생 방법.
  9. 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이 스핀 구조가 단독 혹은 함께 존재하는 자 성체로 이루어진 스핀파 발생부;
    상기 스핀파 발생부에 에너지를 공급하는 에너지 공급부; 및
    상기 에너지 공급에 따라 상기 자기 소용돌이 또는 자기 반-소용돌이 스핀 구조의 중심부로부터 발생된 스핀파를 상기 스핀파 발생부로부터 전파시키기 위한 스핀파 도파로를 포함하는 스핀파 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자성체는 상기 자기 소용돌이, 자기 반-소용돌이가 단독 혹은 함께 존재하도록 하는 형상 및 치수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  11. 제9항에 있어서, 상기 에너지 공급부는 자기장, 전기장, 전압, 전류, 전자파, 소리, 열, 자기 탄성 에너지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  12. 제9항에 있어서, 상기 자성체 및 스핀파 도파로는 강자성체, 반강자성체, 페리자성체, 합금계 자성체, 산화물계 자성체, CMR계 자성체, 호이슬러 합금계 자성체, 자성 반도체 및 이의 복합구조로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  13. 제9항에 있어서, 상기 스핀파 발생부 및 스핀파 도파로를 지지하는 기판을 더 포함하고, 상기 에너지 공급부는
    상기 스핀파 발생부 아래 상기 기판 양측에 형성된 자기장 인가도선; 및
    상기 자기장 인가도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 발생부 일부 혹은 전체에 자기장이 가해지도록 하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  14. 제9항에 있어서, 상기 에너지 공급부는
    레이저 광원; 및
    상기 레이저 광원의 빔을 상기 스핀파 발생부로 집속하여 열이 가해지도록 하는 집속 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  15. 제9항에 있어서, 상기 에너지 공급부는
    상기 스핀파 발생부의 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선;
    상기 제1 도선과 소정의 각도를 이루며 상기 스핀파 발생부의 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선; 및
    상기 제1 및 제2 도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 발생부에 스핀 편광된 전류에 의해 발생한 토크의 작용에 의해 스핀파가 발생하도록 하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 에너지 공급부는
    상기 제1 및 제2 도선에 흐르는 전압에 의해 탄성 변형을 하여 상기 스핀파 발생부에 자기 탄성 에너지를 공급하는 압전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  17. 제9항에 있어서, 상기 스핀파 발생부 및 에너지 공급부로 이루어진 유닛(unit)을 복수개 포함하고 상기 유닛 사이는 상기 스핀파 도파로에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 스핀파 도파로 중 직선이 아닌 부분은 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  19. 제9항 또는 제17항에 있어서, 상기 스핀파 도파로에 상기 스핀파 도파로와 이종 혹은 동종의 자성 물질로 된 도파관을 삽입한 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  20. 제19항에 있어서, 삽입된 상기 도파관의 형상, 치수 및 자성 물질 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 진행하는 스핀파의 주파수를 선택적으로 여과(filtering)하거나, 진행하는 스핀파의 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합 중 어느 하나를 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  21. 제9항 또는 제17항에 있어서, 상기 스핀파 도파로에 국부적으로 유효 자장의 변화를 유발하여 스핀파의 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합 중 어느 하나를 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  22. 제21항에 있어서, 외부자장, 스트레이 필드(stray field), 탄성 변형, 자기 이방성, 다른 자성 물질과의 교환 결합, 전류, 스핀 토크 및 자구벽의 존재 중 어느 하나에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로에 접합되어 있는 자성층을 더 포함하고,
    상기 스핀파 도파로와 상기 자성층의 계면과의 교환 결합력에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로에 자구벽이 존재하고,
    상기 자구벽의 존재로 인해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 자구벽은 90도, 180도, 360도 자구벽, 블록(Bloch), 닐(Neel) 형태의 자구벽 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하 는 스핀파 소자.
  26. 제21항에 있어서, 상기 스핀파 도파로에 자구벽을 삽입하거나 제거함으로써 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로에 수직으로 신장하는 자기장 인가 도선; 및
    상기 자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 자기장 인가 도선을 감싸면서 양단이 상기 스핀파 도파로에 연결된 자구벽 도파로를 더 포함하고,
    상기 자기장 인가 도선에 전류를 흘려 상기 자기장 인가 도선 주변에 형성된 외스테드 필드(Oersted field)에 의해 상기 자구벽을 이동시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 스핀파 도파로에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로; 및
    상기 자구벽 도파로의 양단 중 어느 하나의 단에 연결된 전원부를 더 포함하고,
    상기 전원부를 이용해 상기 자구벽 도파로에 전류를 흘려 상기 자구벽을 이동시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 스핀파 도파로에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로; 및
    상기 자구벽 도파로의 양단 중 어느 하나 혹은 양단에 연결된 추가의 스핀파 발생부를 더 포함하고,
    상기 추가의 스핀파 발생부에서 스핀파를 발생시켜 상기 자구벽 도파로에 전파시킴으로써 상기 자구벽을 이동시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로를 가로지르며 자구벽이 이동할 수 있는 자구벽 도파로를 더 포함하며,
    상기 자구벽을 이용하여 스트레이 필드를 발생시키고 상기 자구벽을 이동시켜 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로를 가로지르는 자기장 인가 도선; 및
    상기 자기장 인가 도선에 연결된 전원부를 더 포함하고,
    상기 전원부를 이용해 상기 자기장 인가 도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 도파로 주변에 형성되는 외스테드 필드에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특 징으로 하는 스핀파 소자.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로를 수직 혹은 수평 방향으로 두 갈래로 형성하고 상기 두 갈래의 사이에 상기 스핀파 도파로와 수직 혹은 일정각을 이루면서 수평으로 신장하는 방향으로 전류가 흐르는 도선을 위치시켜 외스테드 필드를 형성함으로써 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  33. 제21항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선; 및
    상기 스핀파 도파로 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 도파로의 국부적 영역에 스핀 편광된 전류에 의해 발생한 토크의 작용에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  34. 제33항에 있어서, 상기 스핀파 도파로와 제1 도선 사이 또는 상기 스핀파 도파로와 제2 도선 사이에 압전체를 더 포함하여, 상기 제1 및 제2 도선에 흐르는 전압에 의한 상기 압전체의 탄성 변형에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  35. 제17항에 있어서, 상기 유닛은 상기 스핀파의 파동 인자를 제어하여 논리 연산을 수행하도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  36. 제35항에 있어서, 상기 파동 인자는 상기 스핀파의 주파수, 파장, 진폭, 위상 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 상기 파동 인자의 변화를 제어하여 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  37. 제35항에 있어서, 상기 스핀파의 중첩, 반사, 굴절, 투과, 방사, 회절, 간섭의 어느 한쪽 혹은 복합적인 작용을 이용하여 상기 파동 인자의 변화로 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 스핀파 소자.
  38. 스핀파가 진행하는 스핀파 도파로에 국부적으로 유효 자장의 변화를 유발하여 스핀파의 위상을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  39. 제38항에 있어서, 스트레이 필드(stray field), 탄성 변형, 자기 이방성, 다른 자성 물질과의 교환 결합, 전류 및 스핀 토크 중 어느 하나에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로에 수직으로 신장하는 자기장 인가 도선; 및
    자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 자기장 인가 도선을 감싸면서 양단이 상기 스핀파 도파로에 연결된 자구벽 도파로를 이용하여,
    상기 자기장 인가 도선에 전류를 흘려 상기 자기장 인가 도선 주변에 형성된 외스테드 필드(Oersted field)에 의해 상기 자구벽을 이동시켜 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  41. 제38항에 있어서,
    자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 스핀파 도파로에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로; 및
    상기 자구벽 도파로의 양단 중 어느 하나의 단에 연결된 전원부를 이용하여,
    상기 자구벽 도파로에 전류를 흘려 상기 자구벽을 이동시켜 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  42. 제38항에 있어서,
    자구벽이 이동할 수 있으며, 상기 스핀파 도파로에 양단을 제외한 중간 부분이 연결된 자구벽 도파로; 및
    상기 자구벽 도파로의 양단 중 어느 하나의 단에 연결된 추가의 스핀파 발생부를 이용하여,
    상기 추가의 스핀파 발생부에서 스핀파를 발생시켜 상기 자구벽 도파로에 전파시킴으로써 상기 자구벽을 이동시켜 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  43. 제38항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로를 가로지르며 자구벽이 이동할 수 있는 자구벽 도파로를 더 포함하며,
    상기 자구벽을 이용하여 스트레이 필드를 발생시키고 상기 자구벽을 이동시켜 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  44. 제38항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로를 수직 혹은 수평 방향으로 두 갈래로 형성하고 상기 두 갈래의 사이에 상기 스핀파 도파로와 수직 혹은 일정각을 이루면서 수평으로 신장하는 방향으로 전류가 흐르는 도선을 위치시켜 외스테드 필드를 형성함으로써 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  45. 제38항에 있어서,
    상기 스핀파 도파로 하부에서 수평으로 신장하는 제1 도선; 및
    상기 스핀파 도파로 상부에서 수평으로 신장하는 제2 도선을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 도선에 전류를 흘려 상기 스핀파 도파로의 국부적 영역에 스핀 편광된 전류에 의해 발생한 토크의 작용에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
  46. 제38항에 있어서, 상기 스핀파 도파로와 제1 도선 사이 또는 상기 스핀파 도파로와 제2 도선 사이에 압전체를 더 포함하여, 상기 제1 및 제2 도선에 흐르는 전압에 의한 상기 압전체의 탄성 변형에 의해 상기 유효 자장을 변화시키는 것을 특징으로 하는 스핀파 위상 제어 방법.
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