KAIST, 저전력·초고속 ‘꿈의 메모리’ 실마리 찾았다

- 전자의 ‘오비탈 교환상호작용’으로 자성 제어 이론 규명

이근희(왼쪽부터) KAIST 박사, 김경진 KAIST 교수, 김경환 연세대 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 스마트폰과 노트북의 발열 문제를 줄이고 더 빠르고 전력 소모가 적은 ‘꿈의 메모리’ 구현을 위한 단초를 찾아냈다.

KAIST는 물리학과 이경진 교수와 연세대학교 물리학과 김경환 교수 공동연구팀이 전류를 이용해 자성을 제어하는 기존 기술의 한계를 넘어, 전자의 ‘오비탈 교환상호작용’을 통해 자성을 자유자재로 조절할 수 있는 새로운 이론 체계를 세계 최초로 정립했다고 16일 밝혔다.

지금까지 차세대 메모리 연구는 전자의 ‘스핀’에 주로 집중해 왔다. 스핀은 전자가 마치 작은 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 회전 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다. 그러나 전자는 동시에 원자의 중심에 있는 원자핵 주위를 돌며 ‘오비탈’이라는 궤도 운동도 한다. 연구팀은 이번 연구에서 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 직접 상호작용하며 정보를 전달한다는 원리를 이론적으로 규명했다. 이를 통해 기존 스핀 방식보다 훨씬 효율적으로 자석의 성질을 바꿀 수 있음을 확인했다.

이번 연구의 가장 큰 성과는 전류가 단순히 자석의 방향만 바꾸는 것이 아니라, 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 고유한 물성 자체를 조절할 수 있다는 점을 밝혀낸 것이다.

연구팀의 계산 결과, 오비탈을 이용한 제어 효과는 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 수 있음이 확인됐다. 이는 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 ‘오비탈 기반 전자소자’ 시대의 가능성을 제시한 것이다. 연구팀은 이론에 그치지 않고 실제 실험에서 이러한 효과를 측정할 수 있는 방법까지 함께 제시해 향후 산업계의 기술 활용 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.

특히 최근 학계에서 큰 관심을 받고 있는 교자성(Altermagnet) 물질에서도 이 원리가 적용될 수 있다. 교자성은 원자 속 전자의 스핀이 서로 다른 방향으로 규칙적으로 배열된 새로운 형태의 자성 물질로, 겉으로는 자석처럼 보이지 않지만 전자의 움직임에는 큰 영향을 준다. 이러한 특성 덕분에 전자의 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 메모리 제어와 초고속·저전력 반도체 소자 개발에 유리한 물질로 주목받고 있다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.