차세대 반도체 개발 실마리···'솔리톤 안정화' 기술 개발

KAIST·IBS·한양대, 스핀트로닉스 발전 가능성 제시

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술을 선보였다.

국내 연구진이 초고속 휘발성 메모리 소자 기술을 선보였다.(왼쪽부터)김세권 KAIST 교수, 김경민 기초과학연구원 박사, 박문집 한양대 교수.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)의 김세권 물리학과 교수 연구팀이 김경민 기초과학연구원 복잡계 이론물리 연구단 박사팀, 박문집 한양대 물리학과 교수팀과 함께 뒤틀림 자성체(자성을 띄는 여러 물체)를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 개발했다.

스핀트로닉스는 기존 반도체 기술의 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 정보처리 기술을 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대를 모은다.

뒤틀림 이중층 강자성체에서 본 연구 결과를 통해 세계 최초로 발견된 안정한 위상적 솔리톤인 메론에 대한 모식도.(자료=KAIST)

연구팀은 스핀트로닉스를 발전시키기 위해 솔리톤에 주목했다. 솔리톤은 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 뜻한다. 특히 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계에서 활발하게 이뤄지고 있다.

기존 위상적 솔리톤은 스핀 구조체로 자연계에 있는 다양한 자성체 중 수직 이방성(자화 방향이 자성체에 수직한 방향을 선호하게 되는 성질)이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정된다고 알려졌다. 때문에 물질 선택 제한으로 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

연구팀은 특정 단층 강자성체(자성체 중 상온의 철처럼 자발적 자화를 띄는 물체)를 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성했다. 그 결과, 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이번에 발견한 안정된 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 있는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체이다. 메론 안정화 기술 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한됐던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 발전시킬 것으로 기대된다.

김세권 KAIST 교수는 “이번 논문은 무한히 많은 가능성을 갖는 뒤틀림 자성체 기반의 새로운 물리 현상 탐색과 활용 연구의 시발점으로 작용할 것”이라고 말했다.

연구 결과는 물리·화학 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)