경금속 전자궤적→야구 변화구처럼 휘도록 제어할 수 있다

국내 연구팀, 저전력 메모리 발전가능성 열어

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 경금속 전자 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 데 성공했다. 이를 응용하면 저전력 메모리를 만드는데 도움이 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)는 성균관대 최경민 교수 연구팀과 포항공대 이현우 교수 연구팀이 경금속 내부에서 전자 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 데 성공했다고 6일 발표했다.

야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 승률이 향상되는 것과 같이 고체 내부에서도 전자의 궤적을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능이 향상될 수 있다.

전자(황금색 구)는 원자핵(파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다. [사진=성균관대]

고체에서 흐르는 전자의 속도와 전자의 수를 제어하는 방법은 현재도 개발돼 있는데 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 아직까지도 매우 제한적으로 존재한다.

전류가 흐르고 있는 고체에 자기장을 가하면 전자의 궤적이 휘어지는 ‘홀 효과(Hall effect)’가 나타나는 것은 이미 잘 알려져 있다. 자기장을 생성하려면 높은 전류가 필요할 뿐만 아니라 부분적으로 제어하기도 어렵다.

수많은 소자가 집적된 전자기기에 이 방법을 적용하려면 각 소자의 동작에 맞게 서로 다른 방향의 자기장을 가해야 하는데 집적도가 높은 전자기기에서 구현하는 것은 한계가 있다.

이러한 문제점 때문에 자기장을 사용하지 않으면서 나노미터(㎚)단위의 미세한 소자 내부에 존재하는 전자의 궤적을 낮은 전력을 사용해 개별적으로 제어하는 새로운 기술이 필요한 상황이다.

기존에도 스핀 각운동량(전자 스핀)을 이용하면 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것이 ‘스핀 홀 효과’라는 이름으로 보고됐다. 이 효과는 원자번호가 큰 중금속에서만 발현한다는 한계가 있다.

연구팀은 타이타늄(원소기호: Ti) 금속에서 전자의 스핀이 아닌 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량(전자가 원자핵 주변을 공전함으로 발생하는 각운동량)을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 ‘궤도 홀 효과’를 시현했다

연구결과는 그동안 이론적으로만 알려져 있던 ‘궤도 홀 효과’를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 시현했다는 점에서 그 의미가 매우 크다.

현재 사용하는 대부분의 소자들은 전기장으로 인한 전자의 수 변화만 활용하는데 미래 전자소자로 개발 중인 자성메모리(MRAM)는 전자의 각운동량을 이용하기 때문에 연구팀이 규명한 성질을 활용하면 에너지 효율, 속도 향상에 이바지할 것으로 기대된다.

최경민 교수가 과기정통부 브리핑실에서 이번 연구 성과를 설명하면서 “전자소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공한 것”이라고 설명했다. [사진=정종오 기자]

최경민 교수는 “이번 연구 성과는 전자소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공한 것”이라고 의미를 부여했다.

연구 성과(논문명 : Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti)는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 7월 6일자에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)