2D 스커미온 자유자재로 조절…상온 양자컴퓨터 개발 가까워졌다

한국표준과학연구원 연구진
3D에 비해 소비 전력 1000분의 1

한국표준과학연구원 연구진이 상온에서 2차원(2D) 스커미온을 제어하는 데 성공했다. 상온에서 작동하는 양자컴퓨터 개발로 이어질 것으로 기대를 모은다./한국표준과학연구원

국내 연구진이 초저전력 조건에서 양자 기술을 구현할 수 있는 소재를 개발했다. 초저온에서만 작동하는 초전도 방식 양자컴퓨터의 한계를 벗어나 상온에서도 양자 연산을 가능케 할 기술이다.

황찬용 한국표준과학연구원 책임연구원이 이끄는 연구진은 소비 전력은 낮추고 양자 효과는 극대화하는 2차원(2D) 스커미온(Skyrmion)을 상온에서 제어하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

스커미온은 원자핵의 회전방향인 스핀이라는 양자역학적 성질을 이용하는 입자다. 외부 환경 변화에도 형태와 구조를 유지하는 안정성이 뛰어나고 전기적으로 만든 스커미온의 개수 조절이 쉽다는 특징이 있다. 이런 특성 덕분에 초저전력·초고성능 반도체 소자 개발이 가능할 것으로 기대된다.

최근에는 2D 환경에서 스커미온을 활용하려는 연구가 주목 받고 있다. 3D 자석은 표면이 거칠어 스커미온이 작동할 때 마찰이 발생한다. 반면 표면이 매끄러운 2D 자석에서는 적은 전력으로도 안정적인 동작이 가능하다. 2D 스커미온은 작은 크기로 만들 수 있어 양자 현상이 극대화되는 장점이 있다.

표준연 연구진은 약 섭씨 25도 상온의 2D 자석에서 스커미온을 만들고 제어하는 데 성공했다. 자석 표면에 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 만들고 전류를 흘려보내 원하는 방향으로 제어하는 방식이다.

2D 스커미온 제어에 필요한 전력은 3D에 비해 1000분의 1 수준으로 초저전력 작동이 가능했다. 크기는 10분의 1로 작아졌으며 안정성과 속도도 크게 개선됐다. 2D 스커미온을 상온에서 구현하는 기술은 미국과 중국에서 이미 보고됐으나 전기적으로 제어까지 성공한 것은 이번이 처음이다.

연구진은 지난해 3D 스커미온 트랜지스터를 개발한 이후 2D 환경에서도 스커미온 제어에 성공해 차세대 스핀트로닉스 소자 개발이 가능해질 전망이다. 상온 스커미온 제어는 상온에서 작동하는 양자컴퓨터 개발도 가능하게 하는 기술이다.

양승모 한국표준과학연구원 선임연구원은 “인공지능(AI)의 발전과 함께 전력 수요가 폭증하면서 초저전력 반도체 소자가 중요해지고 있다”며 “이번 개발한 스커미온 제어 기술을 응용하면 차세대 AI 반도체 소자도 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 지난달 23일 소개됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202312013

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