차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발

KAIST-기초과학연구원

뒤틀림 이중층 강자성체에서 본 연구 결과를 통해 세계 최초로 발견된 안정한 위상적 솔리톤인 메론에 대한 모식도. KAIST 제공

초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 '위상적 솔리톤'이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 개발됐다.

 

KAIST는 김세권 물리학과 교수 연구팀이 김경민 기초과학연구원(IBS) 복잡계 이론물리 연구단(PCS-IBS) 연구원, 박문집 한양대 물리학과 교수 공동연구팀이 뒤틀림 자성체를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스’에 최근 게재됐다.

 

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대된다.

 

솔리톤은 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상이다. 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계 각국 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다.

 

이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 위상적 솔리톤은 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 수직 이방성이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정하다고 알려졌다. 이같은 물질 선택의 제한으로 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

 

연구팀은 특정 단층 강자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성할 경우 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다.

 

이번 연구를 통해 발견된 안정한 위상적 솔리톤은 수직 이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체다. 이전에는 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다. 메론 안정화 기술 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한돼 있었던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다. 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다.

 

이번 연구 결과는 자성체 내부에선 안정하지 않은 위상적 솔리톤이 두 자성체를 뒤틀어 접합할 경우 자성체 간 상호작용을 통해 안정화될 수 있다는 것을 보인 첫 예시다.

 

연구팀은 “자성체를 뒤틀어 접합시키는 경우 자성체의 종류와 뒤틀림 각도를 조절함으로써 무한히 많은 자성 시스템을 구현할 수 있으므로 이번 연구 결과는 뒤틀림 자성체 기반 스핀 기술이라고 하는 넓은 연구 영역을 새로이 개척했다고 판단된다”고 말했다.

 

연구를 이끈 김세권 교수는 "이번 논문은 무한히 많은 가능성을 갖는 뒤틀림 자성체 기반의 새로운 물리 현상 탐색과 활용 연구의 시발점으로 작용할 것ˮ이라고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]