상온서 전자 스핀 조절 성공…‘자성 나노 나선구조’ 개발

김영근 교수팀, 자성 갖는 카이랄 나선 구조서 스핀 조절 구현
무기물 기반 카이랄 스핀트로닉스 나노 기술 돌파구 열어

카이랄 자성 나노 나선의 모식도. 과기정통부 제공

국내 연구진이 외부 자기장이나 극저온 장치 없이 전자의 스핀(전자가 갖는 고유한 자기적 성질) 방향을 조절할 수 있는 새로운 자성 나노 나선 구조를 개발하고, 스핀을 선택적으로 이동시키는 기술을 개발했다. 앞으로 전기가 꺼져도 정보가 남는 비휘발성 메모리인 자성메모리(MRAM)의 핵심 기술이자 차세대 정보 소자 기술로 활용될 전망이다.

과학기술정보통신부는 김영근 고려대 교수팀과 남기태 서울대 교수팀이 공동으로 자성을 갖는 카이랄 나선 구조를 제작하고, 상온을 포함한 넓은 온도 범위에서 스핀을 조절할 수 있음을 입증했다고 4일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스’ 5일자로 게재됐다.

카이랄은 오른손, 왼손처럼 분자 구조가 거울 대칭으로 방향이 반대여서 겹칠 수 없는 구조로, 시계방향회전과 반시계방향회전 나선은 대표적인 카이랄 구조다.

연구팀은 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 조절해 ‘카이랄 자성 나노 나선구조’를 제작하는 데 성공했다. 이 과정에서 소량의 카이랄 유기분자를 도입해 나선이 원하는 방향으로 꼬이도록 유도한 것으로, 특정 스핀만 통과시키고 반대 방향은 막는 현상을 실험적으로 입증한 성과라는 게 연구팀의 설명이다.

이를 통해 3차원 나노 나선구조 자체만의 회전성으로 스핀을 선택적으로 걸러내고 이동시킬 수 있음을 밝혀냈다. 아울러 본래 지닌 자성으로 나노 나선 구조를 통과한 스핀이 상온에서도 멀리 이동할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 나노 나선이 회전하는 자기장 속에서 스스로 전압을 만들어 내는 성질을 이용해 카이랄성을 종합적으로 확인하는 방법도 확립했다.

김영근 고려대 교수는 “자성체는 그 자체로 전자의 스핀을 정렬하는 능력이 있어 카이랄 구조에 의한 스핀의 흐름 조절이 가능하다”며 “그동안 이론과 실험으로 보고된 카이랄 스핀트로닉스 원리를 보다 더 이해하는 단서를 마련했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

남기태 서울대 교수는 “유기물과 달리 금속의 경우 나노 수준에서 카이랄성을 제어하는 것은 중요한 과학적 난제였다”며 “분자를 이용한 나선의 꼬인 방향성을 제어한 최초의 연구결과”라고 평가했다.

김영근(왼쪽부터) 고려대 교수, 정은진 연구원, 전유상 박사, 남기태 서울대 교수.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr