차세대 양자 소재 물성 측정 첫 성공

한국표준과학연구원, 세종대 포스텍 연구진

한국표준과학연구원 연구팀이 반데르발스결합 무결점 접합구조를 적용한 FGT 기반 자화터널소자를 들고 있다. 표준연 제공

국내 연구진이 이차원 위성 자성체 물질의 스핀의존 전자구조를 넓은 에너지 영역에서 측정하는 데 성공했다. 이차원 위상 자성체 물질은 미래 양자정보·메모리소자의 핵심 소재로 주목받는 물질이다. 자성체의 물성을 파악하려면 이를 좌우하는 전자 스핀정보를 정확히 측정해야 한다.

한국표준과학연구원은 정수용 저차원소자물질연구팀 책임연구원팀이 엄종화 세종대 물리천문학과 교수팀, 김준성 포스텍 물리학과 교수팀 등과 공동연구로 이차원 위성 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 측정하고 국제학술지 '네이처 머티리얼즈' 8월 5일자에 게재했다고 23일 밝혔다. 

지금까지 전자의 스핀 정보는 아주 작은 에너지 영역에서만 제한적으로 측정할 수 있었고 상당 부분은 이론적 예측 연구에 의존해야 했다. 전자의 스핀 정보가 외부의 물리적·화학적 환경에 민감하게 반응해 작은 변화에도 쉽게 손실되기 때문이다.

연구팀은 이차원 위성 강자성체 물질인 Fe3GeTe2(FGT)와 반데르발스 결합 방식으로 박막소재를 구성해 외부 환경변화에 대한 안정성을 높였다. FGT는 이차원 상태에서 자성과 도체성을 띠는 양자위상 물질로 차세대 양자스핀 및 정보소자 구현의 핵심 소재로 주목받는다.

그 결과 스핀의존 전자터널링분광법을 이용해 FGT의 고에너지 스핀의존 전자구조를 측정할 수 있었다. 전자터널링분광법은 전자터널링 장벽을 이용해 고체 물질의 전자구조를 에너지 변화에 따라 측정하는 기법이다.

이번에 개발된 이차원 자성체의 스핀 물성 측정 및 분석 기술은 차세대 양자위상·양자정보 소재 개발을 위한 기초 기술로 활용될 수 있다. 또 실험에서 사용된 무결점 반데르발스 결합 소자 구성은 양자 메모리, 확률적 변이 메모리 등 차세대 스핀·초전도 양자 소자에도 응용할 수 있다.

정수용 표준연 저차원소자물질연구팀 책임연구원은 "국내 양자소재 전문가들이 결집해 달성한 쾌거"라며 "그간 이론적 예측 연구에 응답할 수 있는 측정결과를 제시해 차세대 양자소재 실용화 연구에 새로운 가능성을 보였다"고 말했다.

[이영애 기자 yalee@donga.com]