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국가과학기술연구회 소관 25개 정부출연연구기관에서 전해드리는 소식입니다.

날짜 2020.06.30 담당자

[한국표준과학연구원]

60년 만에 증명했다… 왼손 방향 스핀파 세계최초 보고

- 스핀을 이용한 초저전력, 초고속, 대용량 메모리 소자개발 박차 -

 

 

# 반도체 기반 전자소자는 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중, 양자역학적 성질인 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어해 오늘날의 발전을 이루어 왔다. 그러나 소자 자체의 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면한 상황이다. 초저전력, 초고속, 대용량 등 차세대 메모리 소자 구현에 사용될 스핀 연구가 빠르게 부상하고 있다.

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀은 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계최초로 증명했다. 스핀을 이용한 차세대 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 전망된다.

 

KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀(김창수 선임연구원, 황찬용 책임연구원)은 한국과학기술원(KAIST) 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수와 공동으로 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체*에서 왼손 방향의 세차운동**을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.


 *준강자성체(ferrimagnet): 서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체
 **세차운동(precession): 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이나 그 현상

 


▲ 강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(좌),
스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우)

 

스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

 

스핀들의 집단적 움직임을 나타내는 스핀파의 경우, 작동 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 적으므로 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.

 

스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 저장할 수 있어야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등 복합적이고 난도 높은 연구가 필요하다.

 

주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지게 되면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.

 

▲ 자성체의 왼쪽 세차운동 모식도(좌), 자성체의 오른쪽 세차운동 모식도(우)

 

그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다. 1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 현재까지 미시적인 수준에서의 실험으로는 관찰되지 못했던 현상이다.

 

공동 연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후, 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다.

 

이번 연구에서는 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했으며, 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상 등도 새롭게 밝혀냈다.

 

▲ KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀이 왼손 방향 세차운동을 하는 스핀파를 분석하고 있다.

 

KRISS 황찬용 책임연구원은 “지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다”라며, “스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

 

국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP), 한국연구재단 미래반도체 사업, 미래소재 디스커버리 사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials - IF: 38.887)에 6월 30일 온라인 게재됐다.