KAIST 소용돌이 스핀 원리 규명
2차원 자성물질 구현 가능성
초저전력 정보소자 새 길
▲ 최초로 발견된 자기-탄성 결합에 의해 형성된 2차원 스커미온-반스커미온 유사 스핀 구조
인공지능 기술이 급속히 확산하면서 데이터 처리 과정에서 발생하는 막대한 전력 소비가 새로운 기술 과제로 떠오르고 있다. 이런 상황에서 국내 연구진이 초저전력 정보소자 개발의 단서가 될 수 있는 자성 구조 형성 원리를 밝혀냈다.
KAIST는 물리학과 김세권 교수 연구팀이 자석 내부에서 나타나는 소용돌이형 자성 구조인 '스커미온(skyrmion)'이 특별한 물리 조건 없이도 형성될 수 있다는 새로운 이론을 제시했다고 19일 밝혔다.
▲ 격자(원자 배열)와 스핀의 상호작용으로 생긴 비대칭적인 스핀 배열(AI 생성이미지)
스커미온은 전자의 스핀이 소용돌이 형태로 배열된 자성 구조로 크기가 매우 작고 안정성이 높아 차세대 스핀트로닉스 기술의 핵심 구조로 주목받고 있다. 이러한 특성 덕분에 기존 반도체보다 훨씬 높은 정보 저장 밀도를 구현할 수 있어 초고밀도·저전력 정보소자 개발 가능성이 제기돼 왔다.
그동안 스커미온 구조를 만들기 위해서는 결정 구조의 비대칭성이나 강한 스핀-궤도 결합 등 특정 물리 조건이 필요하다는 인식이 일반적이었다.
▲ 왼쪽부터 KAIST 김세권 교수, 고경춘 박사
그러나 연구팀은 대부분의 자성 물질에서 나타나는 기본적인 물리 현상인 '자기-탄성 결합'만으로도 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 자성 구조가 자연스럽게 형성될 수 있음을 이론적으로 밝혔다.
자기-탄성 결합은 전자 스핀과 원자 배열의 변형이 서로 영향을 주고받는 현상이다. 연구팀은 이러한 결합이 강해질 경우 자성 물질의 기본 상태가 불안정해지며 소용돌이형 자성 질서가 형성될 수 있다는 점을 확인했다.
특히 이 과정에서 스핀 기울어짐과 격자 왜곡이 동시에 나타나면서 스커미온과 반스커미온이 교차 배열되는 새로운 자성 구조가 만들어질 수 있다는 메커니즘도 제시했다.
김세권 교수는 "특정한 특수 상호작용 없이도 스커미온과 유사한 자성 구조가 형성될 수 있음을 보여준 연구"라며 "최근 연구가 활발한 2차원 자성 물질에서도 이러한 구조 구현 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다.
이번 연구에는 KAIST 물리학과 고경춘 박사가 1저자로 참여했으며 연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 2월 11일 자로 게재됐다. /대전=이한영기자
이한영 기자
다른기사 보기
저작권자 © 충청일보
댓글
0