경북대학교는 조연정 물리학과 교수팀이 박제근 서울대 교수팀과 공동연구를 통해 기존 실리콘 반도체의 물리적 한계인 전력 소모와 발열 문제를 극복할 수 있는 차세대 양자 자성 물질의 핵심 제어 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.
연구팀은 코발트가 삽입된 전이금속 화합물인 코발트탄탈황화물(CTS)에서 물질 고유의 카이랄(Chiral) 스핀 구조가 만드는 미세한 자성(자기 모멘트)이 전자 네마틱 상(Electronic Nematicity·전하 분포의 방향성)을 유도·제어하는 핵심 역할을 한다는 사실을 규명했다.
이번 연구는 외부 자기장을 조작하는 것만으로 전자 네마틱 상을 원하는 방향으로 제어하고, 그 상태를 전원이 꺼져도 유지할 수 있는 '비휘발성' 특성을 실험과 이론으로 동시에 입증했다.
최근 과학계에서는 전자의 스핀을 활용해 전력 소모를 줄이고 처리 속도를 높이는 '스핀 소자' 연구가 활발하다. 특히 외부로 자성이 드러나지 않아 주변 자기장 간섭을 받지 않고 데이터 손실 우려가 적은 반강자성체 계열 물질이 주목받고 있다.
실험에 사용된 CTS 물질 역시 겉으로는 자성이 거의 없는 반강자성체이면서도 내부에는 아주 미세한 자성이 존재하는 양자 자성 물질이다. 최근 이 물질 내부에서 스핀의 카이랄성과 전자 네마틱 상이 공존한다는 사실이 보고됐으나, 두 현상의 인과관계는 그동안 명확히 밝혀지지 않아 소자 기술 응용에 한계가 있었다.
연구팀은 극저온 전기저항과 자성 토크 측정 실험을 통해 CTS 내부의 미세한 자성이 전자 네마틱 상의 방향을 결정하고 제어하는 핵심 연결고리라는 사실을 규명했다.
겉으로는 자성이 없는 반강자성 상태처럼 보이지만, 내부 스핀 구조가 거울상 대칭이 깨진 카이랄 구조를 가질 때만 아주 미세한 자성이 발현돼 전하 정렬 방향을 결정하는 핵심 연결고리가 됨을 포착했다.
연구팀이 외부 자기장으로 이 미세 자성의 방향을 바꾸자 전자 네마틱 상의 분포 역시 원하는 대로 제어됐다. 이처럼 한 번 제어된 상태는 전원이 꺼져도 유지되는 비휘발성 특성을 보여, 데이터를 안정적으로 저장할 수 있음을 확인했다고 연구팀은 설명했다.
조연정 교수는 “이번 연구는 물질 고유의 카이랄 구조와 전자 네마틱 상, 미세 자성이 하나의 양자 물질 안에서 어떻게 상호작용하는지 명확히 밝혔다는 점에서 학술적 의미가 크다. 특히 외부 자기장으로 제어한 전하의 정렬 정보(데이터)가 유실되지 않는 특성을 갖추고 있어, 초고속·초절전 차세대 메모리 반도체 기기나 정보 보안성이 높아야 하는 양자 정보 처리 소자 개발에 실질적인 설계 지침이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구는 최근 국제학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 실렸다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
