(좌측부터) KAIST 이근희 박사, 김경진 교수, 연세대 김경환 교수(사진 제공=KAIST)
| 이코노미사이언스 신지원 기자 |
발열은 줄이고 속도와 전력 효율은 높이는 ‘꿈의 메모리’ 개발 경쟁이 이어지는 가운데, 국내 연구진이 전자의 ‘오비탈(orbital)’ 상호작용을 이용해 자성을 제어할 수 있는 새로운 이론적 가능성을 제시했다.
KAIST는 물리학과 이경진 교수와 연세대학교 물리학과 김경환 교수 공동연구팀이 전류를 이용해 자성을 제어하는 기존 기술의 한계를 넘어, 전자의 ‘오비탈 교환상호작용’을 통해 자성을 조절할 수 있는 새로운 이론 체계를 세계 최초로 정립했다고 16일 밝혔다.
지금까지 차세대 메모리 연구는 전자의 ‘스핀(spin)’에 주로 집중돼 왔다. 스핀은 전자가 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 회전 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다.
전자는 스스로 회전하는 ‘스핀’ 성질뿐 아니라 원자핵 주위를 도는 ‘오비탈’ 궤도 운동도 한다. 연구팀은 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 상호작용하며 정보를 전달한다는 원리를 이론적으로 규명했다. 이를 통해 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 효율적으로 자성의 성질을 제어할 수 있음을 확인했다.
특히 이번 연구는 전류가 단순히 자석의 방향만 바꾸는 것이 아니라, 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 물성 자체를 조절할 수 있음을 밝혀냈다는 점에서 의미가 있다.
연구팀 계산에 따르면 오비탈을 이용한 자성 제어 효과는 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 가능성이 있는 것으로 나타났다. 이는 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 ‘오비탈 기반 전자소자’ 시대의 가능성을 제시한 것으로 평가된다.
이 원리는 최근 학계에서 주목받는 ‘교자성(Altermagnet)’ 물질에도 적용될 수 있다. 교자성은 전자의 스핀이 서로 다른 방향으로 규칙적으로 배열된 새로운 자성 물질로, 겉보기에는 자석처럼 보이지 않지만 전자의 움직임에 큰 영향을 준다. 이러한 특성 덕분에 전자의 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 고속·저전력 메모리와 차세대 반도체 소자 개발에 유리한 물질로 주목받고 있다.
이근희 박사는 “전류로 자성을 제어할 때 반드시 스핀에만 의존할 필요가 없다는 사실을 보여준 연구”라며 “전자의 궤도 운동인 오비탈을 활용해 자성을 이해하고 제어하는 새로운 관점이 차세대 초고속·저전력 메모리 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다.
제1저자인 이근희 박사와 김경환 교수, 이경진 교수가 공동 교신저자로 수행한 이번 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications에 게재됐다.
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신지원 기자
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