상온 양자컴퓨터 가능성 열려…2차원 스커미온 생성·제어 성공

양승모(왼쪽) 한국표준과학연구원 선임연구원과 황찬용 책임연구원이 2차원에서 구현한 스커미온 소자의 성능을 측정하고 있다. [사진=한국표준과학연구원]

국내 연구팀이 세계 최초로 ‘스커미온’ 입자를 상온 환경의 2차원 자석 표면에서 생성하고 제어하는데 성공했다. 스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로 차세대 반도체 소자로 꼽힌다. 스커미온을 자유자재로 만들고 조작할 수 있다면 초저전력·초고성능의 차세대 소자를 개발할 수 있다.

황찬용 한국표준과학연구원 양자자기센싱그룹 책임연구원팀은 11일 “상온 양자컴퓨터와 인공지능(AI) 반도체 개발의 핵심 기반이 될 기술을 개발했다”고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난 5월 게재됐다.

스커미온은 이론상 크기를 수 nm(나노미터)까지 줄일 수 있다. 매우 적은 전력으로 이동할 수 있어 초저전력·초고성능의 차세대 소자를 개발하는데 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 기존 스커미온 연구는 3차원 자석에서만 진행됐다. 2017년 2차원 자석이 최초 보고된 이후 2차원 환경에서도 관련 연구가 진행되고 있다.

연구팀은 “3차원 자석은 표면이 사포처럼 거칠어 스커미온이 동작할 때 마찰과 잡음이 발생한다”며 “반면 2차원 자석은 표면이 얼음같이 매끄러워 더 적은 전력을 소모하면서 안정적으로 동작한다”고 설명했다.

연구팀은 상온의 2차원 자석에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다. 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 후, 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어했다. 제어하는 과정에서 기존 3차원에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력이 약 1/1000 정도로 확인했다. 크기도 10배 이상 작아져 안정성·속도 측면에서 유리하다는 분석이다.

연구팀은 “2차원 스커미온의 상온 발현 기술은 비슷한 시기에 미국과 중국에서도 보고되었지만, 발현과 더불어 전기적 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초”라고 밝혔다.