KAIST·IBS, 차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발

뒤틀림 이중층 강자성체에서 이번 연구 결과로 처음 발견한 메론 모식도

위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장·전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 개발됐다. 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 '스핀트로닉스' 기술을 한 단계 성장시키는 원동력이 될 전망이다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김세권 물리학과 교수팀이 김경민 기초과학연구원(IBS) 복잡계 이론물리 연구단(PCS-IBS) 박사팀, 박문집 한양대 물리학과 교수팀과 공동 연구로 뒤틀림 자성체(자성을 띄는 물체)를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발해 나노 레터스에 게재했다고 20일 밝혔다.

스핀트로닉스는 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용한다. 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되고 있다.

한편 솔리톤이란 특정 구조가 주변과 상호작용해 사라지지 않고 계속 유지되는 현상을 말하며, 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장·전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발 연구가 활발하다.

이전까지 연구됐던 위상적 솔리톤은 다양한 자성체 중 수직 이방성(자화 방향이 자성체 수직 방향을 선호하는 성질) 성질을 갖는 자성체에서만 안정하다고 알려졌다.

연구팀은 특정 단층 강자성체(자발적 자화를 띄는 물체) 두 겹을 서로 뒤튼채 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 수직이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 '메론'이라고 불리는 스핀 구조체다.

이전에는 그 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다. 메론 안정화 기술의 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한됐던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대되며, 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다.

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

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 새로이 개척했다고 판단된다.

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

이번 연구는 KAIST 김세권 교수, 고경춘 박사, 그리고 PCS-IBS 김경민 박사, 한양대학교 박문집 교수의 공동 연구로 진행됐으며, 한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스(브레인 풀 플러스)의 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com