포스텍, 꿈의 자기 소용돌이 ‘스커미온' 드디어 찾았다

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍은 친환경소재대학원·물리학과·첨단재료과학부 김지훈 교수·물리학과 이연규·윤진영 박사·박사과정 이찬영씨 연구팀과 미국 베일러대 루이스 발리카스 교수 연구팀이 반강자성 물질에서 스커미온의 흔적을 처음으로 포착해 차세대 저전력 반도체 개발의 새로운 가능성을 제시했다고 15일 밝혔다.

’스커미온‘은 전자의 자기 방향, 즉 스핀이 소용돌이처럼 꼬여 만들어진 나노미터 크기의 자기 구조다. 크기는 매우 작지만 안정성이 뛰어나고 적은 에너지로도 손쉽게 움직일 수 있어 초고밀도 메모리와 저전력 반도체를 위한 핵심 기술로 주목 받아 왔다.

그간 이 반강자성 스커미온이 실제 물질 속에 정말 존재하는지 확인하기가 매우 까다로웠다. 있는 건 알겠는데 좀처럼 나타나지 않아 ’꿈속의 존재‘로 여겼다.

연구팀은 코발트(Co)를 넣어 반강자성 상태를 만든 2차원 자성체(Fe₃GaTe₂)에 자기장을 걸어가며 물질 내부의 자기 구조가 어떻게 변하는지 세밀하게 관찰한 결과, 자기장이 특정 세기에 이르자 지름 약 100~200나노미터(㎚) 크기 원형 자기 구조가 나타났고, 전기 신호가 강하게 나타나는 '위상 홀 효과’도 커졌다.

자기력 현미경으로 관찰한 결과, 이 전기 신호가 가장 강하게 나타나는 구간에서 실제로 원형 자기 구조가 형성되는 모습이 나타났다. 그간 따로따로 연구되던 ‘위상 홀 효과’와 ‘실제 자기 구조’가 서로 직접 연결된 사실을 보여준 결과로, 자기장이 더 강해지면 일반적인 스커미온으로 변할 수 있다고 분석했다.

이번 연구는 코발트를 넣은 2차원 자성체가 그동안 붙잡기 어려웠던 반강자성 스커미온을 연구하는 새로운 실험 무대가 되고, 반강자성 스커미온을 안정적으로 만들고 자유자재로 제어하는 기술까지 이어져 더 빠르고 안정적이며 전력 소모는 줄인 차세대 메모리와 정보처리 소자 개발에도 활용될 것으로 기대한다.

김 교수는 "이번 연구는 향후 반강자성 스커미온을 활용한 저전력 스핀전자소자와 차세대 정보처리 기술 개발의 기반이 될 것으로 기대한다"고 밝했다.

이번 연구는 국제 학술지 'ACS 나노'에 최근 실렸으며, 한국연구재단 과제와 미국 에너지부 기초 과학 연구 프로그램 지원, 미국 국립 자석 연구소 등의 지원을 받았다.

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