그림 1. 뒤틀림 이중층 강자성체에서 본 연구 결과를 통해 세계 최초로 발견된 안정한 위상적 솔리톤인 메론에 대한 모식도.

초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 개발되었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 복잡계 이론물리 연구단 김경민 선임연구원팀은 뒤틀림 자성체¹⁾를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다..

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대된다.

한편 솔리톤이란 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 말하며, 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다.

이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 위상적 솔리톤은 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 수직 이방성²⁾이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정성을 갖는다고 알려져, 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

IBS 김경민 선임연구원팀은 특정 단층 강자성체³⁾ 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성할 경우, 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다.

새롭게 발견된 안정적인 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체로서 이전에는 그 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다. 메론 안정화 기술의 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한되어 있었던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대되며, 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다.

이번 연구 결과는 자성체 내부에서는 안정적이지 않은 위상적 솔리톤이 두 자성체를 뒤틀어 접합할 경우, 자성체 간 상호작용을 통해 안정화될 수 있다는 것을 보인 첫 예시다. 여러 자성체를 뒤틀어 접합시키는 경우 자성체의 종류와 뒤틀림 각도를 조절함으로써 무한히 많은 자성 시스템을 구현할 수 있으므로, 뒤틀림 자성체 기반 스핀 기술이라고 하는 연구 영역을 새로이 개척했다고 판단된다.

본 연구는 KAIST 물리학과 김세권 교수 연구팀, 한양대학교 물리학과 박문집 교수팀과 공동으로 진행되었으며, 물리 및 화학분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)'에 2월 20일 게재됐다.

1) 자성체: 자성을 띄는 여러 물체를 통칭함

2) 수직 이방성: 자화 방향이 자성체에 수직한 방향을 선호하게 되는 성질

3) 강자성체: 자성체 중에서도 상온의 철과 같이 자발적 자화를 띄는 물체를 뜻함