디지스트(DGIST·총장 이건우)는 홍정일 화학물리학과 교수 연구팀이 전류 펄스를 이용해 페리자성체 내부의 스핀 배열을 바꾸고, 자성이 서로 상쇄되는 온도인 '보상온도'를 최대 약 110 K 낮추는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 합금의 조성이나 두께를 바꾸지 않고 전기 신호만으로 자성 특성을 조절한 것으로, 향후 차세대 스핀트로닉스 메모리 기술에 활용될 것으로 기대된다.
페리자성체는 서로 반대 방향을 향하는 두 종류의 자성이 함께 존재하는 물질이다. 온도가 변하면 두 자성의 크기도 달라지며, 특정 온도에서는 서로 정확히 상쇄되는데 이를 '보상온도'라고 한다. 보상온도 부근에서는 자성을 빠르고 효율적으로 제어할 수 있어 고속·고집적 메모리 소자 개발에 중요한 특성으로 꼽힌다.
기존에는 보상온도를 바꾸기 위해 합금의 조성이나 박막 두께를 조절하거나 열처리·이온 주입 등의 추가 공정이 필요했다. 하지만 이 방식은 소자를 만든 뒤 원하는 위치의 자성 특성을 자유롭게 바꾸기 어렵고, 공정 과정에서 물질 자체의 구조나 성분이 변할 수 있다는 한계가 있었다.
연구팀은 백금(Pt), 이리듐망간(IrMn₃), 코발트가돌리늄(CoGd)으로 구성된 다층 박막에 전류를 흘려 발생하는 '스핀-궤도 토크'를 활용했다. 전류에 의해 IrMn₃의 스핀 배열이 변하고, 이 변화가 인접한 CoGd의 스핀 상태에 영향을 미치면서 보상온도가 달라지는 원리다. 즉, 물질의 성분은 그대로 둔 채 내부의 스핀 배열만 전기적으로 조절해 자성 특성을 바꾼 것이다.
홍정일 교수는 “전류 펄스의 세기와 시간을 이용해 페리자성체의 보상온도를 조절할 수 있다는 점에서, 원하는 위치에 서로 다른 자기 특성을 구현하는 차세대 스핀 메모리 기술로 확장될 가능성이 크다”고 밝혔다.
이번 연구에는 최원창·심태보 연구자가 공동 제1저자로, 홍정일 교수가 교신저자로 참여했다. 한국연구재단과 과학기술정보통신부 DGIST R&D 전략사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 최근 재료과학 분야의 국제학술지인 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
