투수가 낙차 큰 커브 던지듯 전자 궤적 제어···"차세대 M램 활용 기대"

성균관대-포항공대 연구팀, 경금속에서 전자 궤적 휘도록 제어하는데 성공

(지디넷코리아=한세희 과학전문기자)D램은 커패시터에 전하가 충전되어 있는지 아닌지에 따라 데이터 0과 1을 저장하는 전하 기반 메모리이다. 반면 동작 속도가 빠르고 내구성이 커 차세대 반도체로 주목받는 자성메모리(M램)은 자성체에 전류를 가해 발생한 전자의 회전을 이용, 정보를 저장하는 각운동량 기반 메모리이다. 각운동량은 회전하는 물체의 운동량을 말한다.

M램 성능 향상을 위해선 전자의 각운동량을 잘 제어하는 기술이 필요하다.

국내 연구진이 원자번호가 작은 경금속에서 전자의 궤적을 휘도록 제어하는데 성공했다. 고체 내부에서 전자의 궤적을 조절하는 기술로 이어져 M램 등 전자소자 성능 향상에 활용될 수 있다.

궤도 홀 효과. 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. (자료=Choi et al., Nature)

성균관대학교 최경민 교수와 포항공과대학교 이현우 교수 연구팀이 과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행한 이 연구는 학술지 '네이처'에 5일(현지시간) 게재됐다.

고체에서 흐르는 전자의 속도와 수를 제어하는 방법은 개발돼 있으나, 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 제한적이다.

전류가 흐르는 고체에 자기장을 가하면 전자의 궤적이 휘어지는 '홀 효과(Hall effect)'는 널리 알려져 있으나, 자기장을 생성하려면 높은 전류가 필요할 뿐 아니라 부분적으로 제어하기도 어렵다.

수많은 소자가 집적된 전자기기에 이 방법을 적용하려면 각 소자의 동작에 맞게 서로 다른 방향의 자기장을 가해야 하는데, 집적도가 높은 전자기기에서 이를 구현하기란 어렵다.

자기장을 쓰지 않고 나노 단위의  미세한 소자 내부 전자의 궤적을 저전력으로 개별 제어하는 기술이 필요한 이유다.

기존에도 전자의 자발적 양자 각운동량인 스핀 각운동량, 즉 전자의 각운동량이 위냐 아래냐에 따라 전자 궤적을 휘게 할 수 있다는 '스핀 홀 효과'가 알려져 있으나, 이는 원자번호가 큰 중금속에서만 나타났다.

스핀 홀 효과(왼쪽)와 궤도 홀 효과(오른쪽) 비교. 전자(빨간색, 파란색 구)는 원자핵 (회색 구) 주변의 공전 방향에 따라서 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량을 가진 전자는 전기장에 의한 힘 방향으로(그림에서 오른쪽) 똑바로 흘러가지 않고 시계 반대방향(궤도 각운동량이 +L인 경우) 또는 시계방향(궤도 각운동량이 –L인 경우)으로 휘게 되는데 궤도 각운동량 때문에 전자 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과 (orbital Hall effect, OHE)라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다. (자료=Choi et al., Nature)

연구팀은 타이타늄(Ti) 금속에서 전자의 스핀이 아니라 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 '궤도 홀 효과'를 세계 최초로 시현했다. 궤도 각운동량은 전자가 원자핵 주변을 공전함으로써 발생하는 각운동량을 말한다. 전자는 원자핵을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가지며, 궤도 각운동량 방향에 따라 전자의 궤적이 휘는 궤도 홀 효과를 이용해 전자의 궤적을 제어할 수 있다는 가능성을 제시했다.

그동안 이론적으로만 알려져 있던 궤도 홀 효과를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 최초로 시현했다는 점에서 의미가 크다고 연구진은 설명헀다.

현재 쓰이는 소자들은 대부분 전기장으로 인한 전자의 수 변화만 활용하지만, M램은 전자의 각운동량을 이용하기 때문에 연구팀이 규명한 성질을 활용하면 에너지 효율 및 속도 향상에 기여할 것으로 기대된다.

경금속에서도 궤도 홀 효과를 통해 전자를 제어할 수 있음을 보임에 따라, 보다 다양한 물질을 활용할 수 있게 되어 산업적 응용성도 더 높다.

최경민 교수는 "이번 연구성과는 전자소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공한다"라며 "여러 변화구를 원하는 위치에 던지는 능력이 훌륭한 투수의 조건인 것처럼 전자의 궤도 각운동량을 통해 전자의 궤도를 정확히 제어하는 능력은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대된다""라고 밝혔다.

한세희 과학전문기자(hahn@zdnet.co.kr)