KAIST·포항공대, 반도체 발열문제 실마리 찾아

마그논 오비탈 홀 효과 발견

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되는 스핀트로닉스와 오비트로닉스의 발열현상을 해결할 가능성을 제시했다.

이현우 포항공대 물리학과 교수(왼쪽)와 김세권 KAIST 물리학과 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)은 김세권 물리학과 교수 연구팀이 이현우 포항공대 물리학과 교수팀과 함께 반강자성체에서 마그논 오비탈 홀 효과를 발견했다고 17일 밝혔다.

마그논 오비탈 홀 효과는 축구의 바나나킥처럼 마그논이 회전방향(오비탈)에 따라 진행궤적이 휘어지는 현상을 의미한다. 마그논계에서의 오비탈 홀 효과는 기존에 예측된 바가 없는 새로운 현상이다.

마그논을 이용한 스핀트로닉스 소자는 줄 발열(도체에 전류가 흐를 때 일어나는 발열 현상)로 인한 에너지 소모 없이 기존 컴퓨팅 기술을 대체할 수 있다는 장점이 있어 전 세계 학계에서 경쟁적으로 연구를 하고 있다. 마그논 스핀에 관해서는 지난 수십 년간 활발히 연구됐으나, 마그논 오비탈의 특성에 관한 이론 정립은 아직 시도하지 않은 문제였다.

연구팀은 MnPS3(삼황화린망간)와 같이 벌집 격자를 이루는 2차원 반강자성체에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 발견했다.

기존에 알려진 마그논 홀 효과는 스핀궤도결합에 기인해 크기가 작다. 이에 반해 연구를 통해 발견된 마그논 오비탈 홀 효과는 스핀궤도결합과 무관하게 결정구조에서 기인해 크기가 큰 것으로 나타났다.

연구팀은 또 전기적으로 마그논 오비탈 홀 효과를 측정할 수 있는 실험방법도 제시했다. 스핀 자유도에만 국한됐던 마그논 연구의 범위를 스핀과 오비탈로 확장했다.

김세권 KAIST 교수는 “마그논 오비탈과 수송이론의 정립은 세계적으로 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제”라며 “기존 정보처리 기술의 한계를 넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 물리·화학 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

이번 연구를 통해 처음 발견된 2차원 반강자성체의 마그논 오비탈 홀 효과와 그로 인한 마그논 오비탈 축적을 보여주는 모식도.(자료=KAIST)

강민구 (science1@edaily.co.kr)