나노기술 및 정책 정보

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전자소자는 전자의 두가지 특성인 전하와 스핀 중 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어함. 전하 기반의 전자 소자로 만들어진 반도체는 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 발열 문제 등 물리적 한계에 직면하고 있음.

기존 반도체 소자의 한계를 극복하고 초저전력·초고속·대용량 차세대 메모리 소자를 구현하기 위한 스핀 연구가 진행됐지만 한계가 있었음. 오른손을 감싸 쥘 때의 손가락 방향 회전을 측정했지만 이론적으로 존재할 것으로 예측됐던 왼손 방향 회전을 규명하지 못했기 때문임. 시계 방향인 왼손 방향 스핀 운동을 규명하면 스핀 제어가 가능해 초저전력 초고속 메모리 소자를 구현할 수 있음.

한국표준과학연구원은 양자기술연구소 양자스핀팀이 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 처음으로 증명했다고 30일 밝힘. 스핀을 활용한 차세대 전자소자 개발에 돌파구가 열린 것으로 평가됨.

표준연 양자스핀팀은 KAIST 연구진과 공동으로 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 준강자성체에서 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 측정하고 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈음.

스핀은 전하 이동과는 달리 제자리에서 회전하는 특성을 갖고 있음. 자기장에 반응해 일렬로 정렬되는 현상으로 자석이 N극과 S극을 구분하며 정렬되는 원리이기도 함. 스핀파는 나노미터 크기의 작은 스핀들이 집단으로 움직여 만들어낸 파형을 의미함. 스핀파는 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력 소비가 매우 적어 초고속 초저전력 소자에 적용할 수 있음.

스핀을 이용해 전자소자를 개발하는 분야를 ‘스핀트로닉스’라 부름. 스핀과 일렉트로닉스의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술임. 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석이 필요함.

문제는 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어해 정보를 저장해야 하는데 지금까지 스핀의 왼손 방향 운동이 측정되지 못했음. 자석을 잘게 쪼개 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있는데, 이 작은 자석에 자기장을 걸면 오른손 방향으로 회전하는 특성을 가짐.

이와 달리 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄 준강자성체는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄으로 인해 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있음. 1960년대에 준강자성체에 관한 이론이 발표되며 왼손 방향 운동이 예측됐지만 지금까지 미시적인 수준에서 실험으로 관찰되지 못했음.

표준연 양자스핀팀과 KAIST 공동연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 ‘브릴루앙 광산란법’을 활용해 이론을 실험으로 증명하는 데 성공했음. 코발트가돌리늄 준강자성체에 빛을 쬐어 스핀파와 충돌시킨 후 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 지닌 에너지와 운동량을 알아낸 것임. 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 수준에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했음.

황찬용 표준연 책임연구원은 “오른손 방향의 스핀파와 왼손 방향의 스핀파를 합치거나 제어하면 스핀파를 이용한 전자소자를 만드는 게 가능해진다”며 “현재 고집적 반도체 소자의 한계인 발열 문제를 해결할 수 있는 초저전력 차세대 스핀트로닉스 소자 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ 지에 게재됨