기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단(단장 노태원)은 강유전체와 강자성체를 차례로 쌓아올린 하이브리드 물질에서 스핀이 소용돌이치는 '스커미온(Skyrmion) 입자'를 발견했다고 6일 밝혔다.
스커미온은 자성체 내부에서 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체로, 전자스핀이 나선형으로 배열된 형태를 의미한다. 스커미온의 생성과 소멸에 따라 데이터를 저장하는 기본 구조인 '0'과 '1'을 만들 수 있고, 한 번 형성되면 안정적이어서 쉽게 소멸되지 않는다.
이를 이용하면 기존 자성 정보소자 보다 100만배 적은 전력으로 작동할 수 있고, 크기도 수 나노미터(㎚)수준으로 작게 만들어 차세대 전자소자의 기본단위로 널리 쓸 수 있다.
스커미온을 정보소자로 활용하려면 100㎚ 이하의 초소형 스커미온 입자를 단위면적에 많이 배치해 저장용량을 높여야 하고, 스커미온의 특성을 실시간으로 제어할 수 있어야 한다. 지금까지 이런 조건을 동시에 만족하는 물질은 드물었다.
연구팀은 강유전체(티탄산바룸)와 강자성체(스트론튬루테네이트) 박막을 차례로 쌓아올린 이종접합 구조를 제작한 뒤, 자기장에 따른 저항을 측정하는 과정에서 스커미온의 존재를 확인했다. 스커미온 물질에서는 외부의 자기장이 없어도 자체 스핀에 따라 전자가 가해진 전기장에 수직 방향으로 휘어져 움직이는 '비정상 홀 효과'이 발생한다.
연구팀은 이 스커미온 크기를 중국 고자기장연구소의 공동연구를 통해 측정한 결과, 스커미온이 각각 100㎚ 이하인 초소형인 것을 확인했다. 스커미온 크기가 작을수록 한정된 면적에 많은 입자들을 배치할 수 있어 전자소자의 성능을 높이는 데 유리하다.
연구팀은 아울러 강유전체 특성을 이용해 인접한 자성체의 스커미온 특성을 실시간 제어하는 데 성공했다. 이종접합 구조에서 강유전체의 분극이 자성체의 격자구조에 영향을 주고, 최종적으로 스커미온의 밀도를 제어한다는 것을 알아낸 것이다.
노태원 단장은 "금속이 아닌 강유전체 특성을 활용해 스커미온을 제어할 수 있음을 알아낸 연구결과로 이를 통해 전기를 걸어 손쉽게 스커미온을 생성할 수 있을 것"이라며 "앞으로 스핀트로닉스 소자 등 스커미온을 이용한 정보소자를 만드는 데 널리 활용될 것으로 기대한다"고 말했다. 이 연구결과는 세계적 학술지 '네이처 머티리얼스(6일자)' 온라인판에 실렸다.대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온(위)과 그 단면의 모습(아래)으로, 노태원 강상관계물질연구단 연구팀은 강유전체의 특성을 활용해 스커미온을 제어하는 데 성공했다.
