차세대 초고속·저전력 메모리 개발 새 이정표…전자 ‘공전운동’ 활용

KAIST, 전자의 오비탈 활용해 자성 제어 가능성 제시 전자의 스핀운동 대비 강력한 자성조절 효과 이론적 입증 전자의 회전 성질인 자전 대신 전자가 원자핵 주위를 도는 공전 운동을 이용해 자성을 제어하는 새로운 가능성이 규명됐다. 스마트폰이나 노트북 등의 발열 문제를 줄이면서 더 빠르고 전력 소모가 적은 차세대 메모리 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. KAIST는 이경진 물리학과 석좌교수와 김경환 연세대 물리학과 교수 연구팀이 공동으로 전류를 이용해 자성을 제어하는 기존 기술의 한계를 넘어 전자의 궤도 운동인 ‘오비탈’의 교환상호작용을 통해 자성을 자유자재로 제어하는 새로운 이론 체계를 정립했다고 16일 밝혔다. 차세대 메모리 연구는 전자의 스핀에 주로 집중해 왔다. 스핀은 전자가 마치 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어 내는 성질로, 회전 방향을 이용해 정보를 저장한다. 전자는 원자 중심에 있는 원자핵 주위를 돌며 오비탈이라는 궤도 운동도 한다. 연구팀은 전류가 흐를 때 생기는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 서로 영향을 주고 받으며 자성을 바꿀 수 있다는 원리를 이론적으로 규명했다. 전류가 단순히 자석 방향만 바꾸는 것이 아니라 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 고유한 물성 자체를 조절할 수 있음을 밝혀낸 것이다. 연구팀의 계산 결과, 오비탈을 이용한 제어 효과는 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 수 있는 것으로 확인됐다. 이는 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈을 활용한 전자소자가 개발될 가능성이 제시한 것이라고 연구팀은 설명했다. 이근희 KAIST 연구원은 “이번 연구는 전류로 자성을 제어할 때 반드시 스핀에만 의존할 필요가 없다는 사실을 보여준 사례”라며 “전자의 궤도 운동인 오비탈을 활용해 자성을 제어함으로써 차세대 초고속·저전력 메모리 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 지난달 2일에 실렸다.