▲ 연구개념도
스마트폰이 뜨거워지는 문제를 근본부터 바꿀 단서가 나왔다. 전자를 대신해 자석의 미세 진동으로 신호를 처리하는 방식이 실제 소자에서 구현되며 초저전력 기술의 가능성이 열렸다.
KAIST 물리학과 김갑진 교수 연구팀은 자성 물질 내부에서 발생하는 스핀파를 활용해 신호 주파수를 급격히 바꾸는 현상을 확인했다고 19일 밝혔다. 기존 전자 기반 방식과 달리 에너지 소모를 크게 낮추면서도 빠른 제어가 가능하다는 점이 특징이다.
연구의 핵심은 '모드 변환'이다. 자성 물질 내 스핀파는 음향 모드와 광학 모드 두 가지 형태로 존재하는데, 특정 조건에서 이 두 상태가 순간적으로 바뀌며 주파수도 함께 크게 이동하는 현상이 포착됐다. 연속적으로 변화하던 기존 방식과 달리 한순간에 다른 상태로 전환되는 구조다.
▲ 연구팀. 좌측부터 유무진 박사후연구원, 김갑진 교수, 박민규 연구교수
연구팀은 머리카락보다 얇은 자성 물질을 여러 겹 쌓은 인공 반강자성체 구조를 활용했다. 여기에 전자기 신호를 가해 스핀파를 생성한 뒤 외부 자기장과 전력 조건을 조절하자 주파수가 '튄다'는 표현이 어울릴 정도로 급격히 변하는 양상이 나타났다.
이 과정은 마그논 단위의 상호작용에서 비롯된다. 하나의 마그논이 둘로 분리되거나 다시 합쳐지는 과정에서 스핀파 상태가 전환되며 주파수 점프가 발생한다. 이른바 삼중 마그논 상호작용이 실제 나노 소자에서 관측된 셈이다.
특히 별도의 복잡한 회로 구성 없이도 신호 세기와 자기장 조절만으로 5GHz 이상의 주파수 변화를 구현할 수 있다는 점이 눈길을 끈다. 장치 구성을 간결하게 유지하면서도 속도와 효율을 동시에 끌어올릴 수 있는 설계가 가능해진다.
▲ 연구개념도
이 기술은 발열을 줄이면서 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있는 모바일 기기뿐 아니라, 뉴로모픽 컴퓨팅과 양자 통신, 차세대 스핀트로닉스 반도체 분야에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 신호의 상태를 '켜짐'과 '꺼짐'으로 명확히 구분할 수 있어 새로운 논리 소자로도 확장이 가능하다.
김갑진 교수는 "이론에 머물던 마그논 비선형 동역학을 실제 나노 구조에서 제어할 수 있음을 입증했다"며 "스핀파 기반 정보처리 기술이 새로운 컴퓨팅 패러다임으로 발전하는 기반이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구는 유무진 연구원이 1저자로 참여했으며, 박민규 연구교수가 공동 교신저자로 이름을 올렸다. 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. /대전=이한영기자
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