과학연구

금속-유전체-금속 이발형구조에서 집적가능한 전광학적자기기록

 2023.8.30.

위대한 령도자 김정일동지께서는 다음과 같이 교시하시였다.

《우리는 중요과학기술부문에 힘을 집중하면서 레이자를 비롯한 새로운 과학기술분야를 발전시키며 새로 건설하는 공장들과 기술개건대상들에 최신과학기술을 적극 받아들이도록 하여야 합니다. 이와 함께 수학, 물리학, 생물학을 비롯한 기초과학에 대한 연구를 강화하여 그것이 인민경제와 과학기술발전에 적극 이바지하도록 하여야 합니다.》 (김정일선집》 증보판 제15권 488페지)

역파라데이효과(IFE)에 의한 완전광학적자기기록은 광학적으로 자기마당을 조종할수 있는것으로 하여 미래의 스핀공학과 자료보관, 량자콤퓨터의 개발에서 대단히 중요한 의의를 가진다. 광학임풀스는 IFE를 통하여 유효자기마당을 산생시키는 중요수단으로 리용된다. 다음세대 기억기장치들에서 사활적인 높은 기록밀도와 저에네르기소비에 대한 요구는 초밀집형구조들에서 빛과 자기마당사이의 호상작용을 강화하기 위한 연구들을 추진하게 하였다. 빛을 리용한 자기적인 절환장치의 소형화는 nm척도에 빛을 집중하는 표면플라즈몬을 리용하여 실현될수 있다.

연구조에서는 IFE와 광학임풀스를 리용하여 발생시킨 금속-유전체-금속(MIM) 이발에서의 유효자기마당을 연구하였다. 우리는 표면플라즈몬의 회전전기마당벡토르가 IFE에 의해 유효자기마당으로 작용할수 있으며 이때 발생하는 유효자기마당은 표면플라즈몬의 반대방향전파에 의하여 반전될수 있다는것을 밝히였다.

MIM이발구조의 3차원도식을 그림 1(ㄱ)에서 보여주었다.

MIM이발형구조의 3차원모양
그림 1. MIM이발형구조의 3차원모양

구조는 플라즈몬 MIM도파관과 도파관에 련결되는 MIM이발로 구성되여있다. MIM도파관과 이발의 절연층은 강자성유전체이다. 그림 1(ㄴ)에서는 입사파장에 따르는 MIM도파관에서의 표면플라즈몬폴라리톤의 투과률을 보여주었다. 그림에서 볼수있는바와 같이 투과률은 MIM도파관과 이에 부착된 이발사이의 에네르기교환의 공명특성으로부터 λ0에서 극값을 가진다.

그림에서 볼수 있는바와 같이 MIM도파관과 이발의 결합으로 인하여 투과률이 λ0에서 극점을 가진다.

MIM이발구조의 투과특성이 구조의 설계파라메터들에 의하여 조절될수 있기때문에 결합파장은 MIM이발의 길이와 높이에 의하여 변화시킬수 있다.

다음으로 MIM이발에서 IFE에 의해 생기는 유효자기마당의 주파수의존특성을 고찰한다. MIM이발의 금속-절연체경계면에서 전파하는 표면플라즈몬의 회전전기마당벡토르는 IFE에 의해 유효자기마당을 발생시킨다. 그림 2는 MIM이발에서 입사파장에 따르는 평균유효자기마당의 세기를 보여준다.

유효자기마당의 쌍공명특성
그림 2. 유효자기마당의 쌍공명특성

보는바와 같이 MIM이발안에서 유도된 평균유효자기마당은 2개의 서로 다른 파장들에서 공명특성을 가지고있다. 그 파장들에서 평균유효자기마당의 세기는 극값들에 도달하며 이것은 두개의 각이한 자기적상태들에 해당한다. 그러나 λ0에서 평균유효자기마당의 값은 0이며 다시말하여 그 어떤 빛자기활성도 나타내지 않는다. 그림 2로부터 MIM이발에서 발생하는 유효자기마당의 왼쪽공진파장과 오른쪽공진파장사이의 구간에서 입사파장을 변화시키는 방법으로 MIM이발의 자기상태를 절환할수 있다는것을 알수 있다.

이때 유도된 유효자기마당의 단위출력당 세기는 입사출력에 비례한다.

이처럼 금속-유전체-금속(MIM) 도파관관구조들은 제작하기가 쉽고 아주 작은 크기를 보장할수 있는것으로 하여 고도로 집적화된 빛회로들의 응용에서 대단히 중요한 의의를 가진다. 우리는 역파라데이효과에 의해 MIM이발구조에 생기는 유효자기마당이 광학주파수를 변화시키는 방법으로 반전될수 있다는것을 발견하였다.

우리의 연구결과는 잡지 《Applied Optics》[61, 2763]에 《All-optical frequency-dependent magnetic switching in metal-insulator-metal stub structures》(https://doi.org/10.1364/AO.452479)의 제목으로 출판되였다.