KAIST·기초연, '차세대 반도체 솔리톤' 안정화 기술 세계 첫 개발

연구진이 뒤틀림 이중층 강자성체에서 세계 최초로 발견한 안정한 위상적 솔리톤인 메론에 대한 모식도.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장·전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자기술을 처음으로 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 김세권 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 김경민 박사팀, 한양대 물리학과 박문집 교수팀과 뒤틀림 자성체를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화할 수 있는 기술을 세계 최초 개발했다고 20일 밝혔다.

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하는 연구 분야다.

이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되고 있다. 솔리톤은 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 말한다.

또 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장·전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계 각국 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다.

하지만 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 수직이방성이라 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정성을 보인다고 알려져, 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 특정 단층 강자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성할 경우 수직이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화할 수 있음을 확인했다.

안정한 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평이방성을 띠는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀구조체로서 이전에는 그 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다.

메론 안정화 기술의 확보로 지금까지 수직이방성 자성체에만 국한돼 있었던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.

또 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다.

여러 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 새롭게 개척했다는 평가다.

김세권 KAIST 교수. /뉴스1

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

한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스(브레인 풀 플러스)의 지원을 받아 수행된 이번 연구논문은 물리 및 화학분야 세계적 학술지 `나노 레터스'에 게재됐다.

memory4444444@news1.kr