쟐로신스키-모리야 상호작용(DMI)은 스핀트로닉스 분야에서 중요한 요소로 부상하여, 카이랄 도메인월과 스커미온과 같은 카이랄 객체를 안정화하는데 중요한 역할을 한다. 차세대 메모리-로직 장치에 유망한 응용 가능성과 학술적 중요성 때문에, DMI에 대한 광범위한 연구와 탐구가 진행되고 있다. 그러나 DMI의 정확한 기저 메커니즘은 아직 논의중인 주제이다.
DMI의 발생에 대해 폭넓게 받아들여지는 설명은 구조적 반전 비대칭성 (Structural Inversion Asymmetry, SIA)에 의해 주도되는 계면에서의 전도전자의 스핀-궤도 상호작용에 기인한다는 것인데, 이는 DMI가 본질적으로 인터페이스 효과이며, 이의 기저 메커니즘을 해결하기 위해 인터페이스에 대한 포괄적인 이해가 필수적이다.
그러나 DMI를 조사하기 위한 기존의 실험적 접근 방법은, 주로 다중 인터페이스를 갖는 시스템을 기반으로 하고 있다. 이는 자성층에 불필요한 산화를 방지하기 위해 사용되는 보호층 등의 존재 때문인데, 이로 인해 현재의 실험적 접근 방법은 인터페이스에서의 DMI의 개별 기여를 분석하는데 한계가 있어, DMI에 대한 보다 깊은 이해를 어렵게 만들고 있다.
따라서, 우리는 단일 인터페이스에서 DMI의 개별 기여를 직접적인 관찰을 통해 해결할 수 있는 보다 원초적인 실험적 접근 방법을 제안한다. 이 방법은 기존의 방법보다 더 명확하고 포괄적인 DMI에 대한 조사를 제공하여, DMI에 대한 깊은 이해를 도모한다.
1장에서는 DMI의 메커니즘에 대한 역사적인 개요를 소개하고, 수직 자기 이방성 (PMA)를 나타내는 기본적인 강자성체 시스템에 대하여 탐구하며, DMI 연구에 사용된 측정 방법을 소개한다. 이 장을 걸쳐서 강자성 박막에서 도메인 월 (DW)의 기본적 역학을 소개한다.
2장에서는 In-vacuum MOKE 시스템이라는 새로운 실험장치를 소개한다. 이 장치를 통해 단일 인터페이스에서 DMI를 관찰할 수 있는데, In-vacuum MOKE 시스템을 통한 DMI에 대한 연구는 1장에서 소개된 측정 방법을 기반으로 진행한다. 이 장에서는 주로 이 새로운 실험장치를 제작하고, 이를 이용하여 단일 인터페이스 구조 (Pt/Co)에서 DW 역학을 확인하는 것에 초점을 두고 있다. 이 장에서 얻은 결과는 단일 인터페이스 구조에서 DW 역학을 검증한 의미 있는 성과를 보여준다.
3장에서는 Pt/Co 단일 인터페이스에서 자성층 (Co)의 두께를 변화시킴으로써 DMI를 체계적으로 조사한다. 이 연구 결과는 DMI의 인터페이스 효과 특성을 확인하며, 더 나아가, 우리의 실험 장치의 신뢰성과 정확성을 입증하며, 아주 작은 원자 규모 두께까지 정밀한 제어와 감지를 할 수 있다는 것을 확인한다.
4장에서는 3장과 유사한 접근 방식을 따라, Pt/Co 단일 인터페이스에서 비자성층 (Pt)의 두께를 변화시키며 DMI를 체계적으로 조사한다. 재미있는 점은, 이론적 예상과는 대조적으로, 비자성층 두께에 따른 DMI의 강한 의존성이 관측되는데, X-선 회절 (XRD)를 통한 체계적인 검사를 통해, DMI와 Pt의 격자상수 간에 강한 상관관계가 있음을 발견한다. 이는 제일원리 연구를 통해 추가적으로 검증받는다. 이 상관관계를 활용하여, 시스템의 카이랄성을 조작하는 방법을 제안하고 보여준다. 3장과 4장에서 Pt/Co 단일 인터페이스에서 자성층과 비자성층의 두께 의존성을 철저히 조사함으로써, Pt/Co 인터페이스에서의 DMI에 대한 포괄적인 이해를 이룬다.
5장에서는 이전 장들에서 확립된 Pt/Co 인터페이스의 DMI에 대한 향상된 이해를 바탕으로, 다양한 물질들에서 DMI의 발생을 체계적으로 조사한다. 이는 우리가 앞서 설계한 첨단 In-vacuum MOKE 시스템의 활용을 기반으로 이루어진다. 이 연구에서는, Al, Cu, Nb, Pd, Hf, Ta와 같은 다양한 물질들을 Co위에 점진적으로, 원자 레벨의 두께로 증착하여 Pt/Co/X 구조를 만들어 가며 DMI를 체계적으로 탐구한다. 이를 통해, 다양한 물질들에 대한 DMI의 원자층별 기여를 정량화 한다. 또한, 이를 통하여 DMI의 발생에 중요한 역할을 하는, 일반적인 인터페이스의 길이 가 존재함을 밝혀내며, 이러한 발견은 DMI의 인터페이스 특성에 대한 새로운 시야를 제공함과 동시에 발생의 기저 메커니즘에 대한 통찰력을 제공한다.
6장에서는 약한 PMA 시스템의 경우를 대비하여 DMI 조사를 위해 설계된 새로운 측정 방법을 소개한다. 이전 장들에서는 비교적 강한 PMA 조건에서 DMI에 대한 연구가 진행되었으며, 이는 명확한 DW 모션을 관측함을 기반으로 정확한 DW 속도 측정이 가능했기 때문이다. 그러나, 약한 PMA 시스템에서는, DW 모션을 정확하게 관측하는 것에 어려움이 생길 수 있어, DMI를 정확하게 측정하기에 어려움이 있을 수 있다. 이 장에서는, DW의 거칠기 측정을 기반으로, DMI를 측정하는 새로운 방법을 제안하며, 이 측정 방법은 DW 모션을 기반으로 한 DMI 측정에서 나타날 수 있는 어려움에 대한 해결책을 제시한다.
마지막장에서는 본 연구에서 제시한 결과의 결론과 전망을 다룬다. 이 연구의 주요 포인트는, Co/X 단일 인터페이스에서 DMI를 관찰함으로써 이루어졌는데, 이 선구적인 결과는 DMI 분야를 크게 발전시킬 것이며, 이 현상에 대한 명확한 탐지와 깊이 있는 분석을 제공한다.