초저온 한계 넘는 `상온 양자컴` 현실화 눈앞

표준연, 상온서 2차원 스커미온 생성 제어 '성공'
차세대 AI반도체 소자, 상온양자컴퓨터 개발 기대

한국표준과학연구원은 2차원 상온에서 스커미온을 생성·제어하는 핵심기술을 개발했다. 사진은 2차원 스커미온 생성 및 전기적 제어 모식도. 표준연 제공

국내 연구진이 차세대 AI 반도체 소자나 상온 양자컴퓨터 설계 등에 활용할 수 있는 핵심 기반 기술을 개발했다.

한국표준과학연구원은 양승모 박사 연구팀이 2차원 상온에서 스커미온을 생성·제어하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

2차원 스커미온의 상온 생성과 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초다. 스커미온은 자성체 내부에서 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체로, 전자스핀이나 나선형으로 배열된 형태를 의미한다. 스커미온의 생성과 소멸에 따라 데이터를 저장하는 기본 구조인 '0'과 '1'을 만들 수 있고, 한 번 형성되면 안정적이어서 쉽게 소멸되지 않는다. 스커미온을 자유자재로 만들고 조작할 수 있으면 초저전력, 초고성능의 차세대 소자를 개발할 수 있다.

기존 스커미온 응용 연구는 3차원 자석에서만 진행돼 왔으나, 2017년 2차원 자석이 처음으로 보고된 이후 2차원 환경에서도 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 2차원 자석은 3차원 자석과 달리 마찰과 잡음이 없어 전력 소모가 적고, 3차원에 비해 크기가 작아 양자 현상을 극대화할 수 있다.

연구팀은 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 뒤 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어해 냈다. 실험 결과 기존 3차원에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력은 1000분의 1 정도에 불과했고, 크기도 10배 이상 작아져 안정성과 속도에서 우수한 성능을 보였다.

지난해 2월 3차원 스커미온 트랜지스터(반도체 소자)를 개발한 지 1년 만에 2차원 환경에서도 스커미온 생성·제어에 성공했다고 연구팀은 설명했다. 특히 상온에서 스커미온 양자 현상을 극대화해 초저온 환경에서만 구동하던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘은 '상온 양자컴퓨터' 개발의 토대를 놓았다는 점에서 주목된다. 양승모 표준연 선임연구원은 "고효율·저전력으로 대용량 정보를 처리할 수 있는 인공지능(AI) 반도체 소자 설계에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(지난달 23일자)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr