[표지로 읽는 과학] 미래 반도체 물질 '강유전체' 구조 특성 밝혔다

네이처 제공.

자석에서 발견되는 스커미온과 유사한 소용돌이가 강유전체 물질에서 관찰됐지만 지금까지 메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다. 강유전체는 전기적으로는 절연체이지만 자연상태에서 외부 전기장이 없어도 전기 편극을 지닐 수 있는 특이한 물리적 성질을 가진 물질이다. 외부에서 전압을 걸지 않아도 스스로 양과 음의 전기분극 현상이 일어나 차세대 메모리 연구가 활발하다. 

스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 나노 스핀 현상을 보이는 구조체를 말한다. 개별 스커미온은 고유의 저항값을 보유하기 때문에 스커미온 개수에 따라 저항 변화를 조절할 수 있어 메모리나 통신 소자 등 인공신경망 기반의 뉴로모픽 반도체 적용 연구 등이 이뤄지고 있다. 

이번주 네이처는 하이단 웬 미국 아르곤국립연구소 연구팀이 강유전체 물질에서 스커미온과 유사한 소용돌이 현상의 특성을 규명한 연구결과를 표지에 실었다. 연구팀은 테라헤르츠 복사 형태의 극초단파 전기장 펄스를 활용해 강유전체 필름에서 소용돌이 운동을 만든 뒤 펨토초(1000조분의 1초) X선을 이용해 소용돌이 운동의 특성을 분석했다. 

연구팀의 분석 결과 강유전체에서는 자석에서 발견되는 스커미온보다 규모는 작지만 고주파 특성을 보이는 극 소용돌이가 일어난다는 사실이 확인됐다. 또 극 소용돌이와 원자 격자 사이의 상호작용에 의한 원자 그룹의 움직임도 관찰됐다. 이는 극 소용돌이에서 일어나는 고주파와는 반대로 저주파 특성을 보였으며 조절 가능한 것으로 확인됐다. 

연구팀은 특히 기존 연구에서는 확인하지 못했던 강유전체의 극 소용돌이에서 일어나는 원자들의 움직임이 조절 가능하다는 사실을 확인했다는 점에 주목했다. 소용돌이의 주파수 특성을 확인하고 이런 움직임을 보이는 미세한 원자 배열 구조를 조절할 수 있다는 것이다. 

연구팀은 “이번 연구에서는 강유전체에서 일어나는 스커미온의 특성을 규명한 것”이라며 “연구결과를 활용하면 데이터를 초고속으로 처리하는 차세대 반도체 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]