국내 연구팀이 포함된 국제 공동 연구팀이 자성 스마트폰이나 양자컴퓨터 개발에 활용할 수 있는 스핀-역학적 셔틀 소자 구현이 가능함을 이론적으로 구명했다.
서울대 박영우 교수팀과 스웨덴 예테보리대 매츠 존슨 교수팀은 움직이는 양자점을 사이에 둔 자성체 나노 전극에 외부 자기장을 가했을 때 양자점 스핀 방향이 뒤집히면서 한쪽 강자성 전극의 단일 전자를 다른쪽 강자성 전극으로 실어 나르는 새로운 스핀-역학적(spintro-mechanical) 양자 소자 가능성을 구명했다고 23일 밝혔다.
연구팀은 나노 크기의 자성체 전극들 사이에 움직이는 양자점이 있을 때, 이 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장에 의해 방향이 반대로 되는 현상을 발견했다. 이를 통해 한쪽 전극에서 반대쪽 전극으로 단일 전자를 전달하는 스핀-역학적 셔틀 소자 구현이 가능함을 이론적으로 보여줬다. 이번 연구는 자성 셔틀 현상을 새로운 양자기능 연구의 도구로 만들어 줄 것으로 기대된다.
지금까지 보고된 나노역학적-단일전자트랜지스터(NEM-SET)는 양쪽 전극 간에 가해진 전기장 에너지에 의해 한쪽 전극에서 나온 전자의 전기적 에너지가 가운데 움직이는 양자점의 진동 에너지로 전달됨으로써 전자가 반대쪽 전극으로 전달되는 전기역학적 소자였다. 이에 반해 스핀-역학적 셔틀 소자는 가운데 움직이는 양자점이 갖는 스핀이 외부 자기장과 상호작용해 강자성 전극간의 단일 전자 이동을 가능하게 하는 자성 양자 소자다.
박영우 교수는 “새로운 자성 양자 소자 개발 가능성을 제시한 것으로 현재 스마트폰 등에 사용되는 금속 릴레이 스위치를 가벼운 탄소나노튜브나 그래핀을 사용한 전기역학적 소자로 대체할 수 있다”면서 “나아가 이번 연구에서 이론적으로 규명한 자성 셔틀 소자로 대체함으로써 획기적으로 새로운 기능을 갖춘 세계 최초의 자성 스마트폰 개발이나 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 해외우수연구기관유치사업 지원으로 수행했고, 연구결과는 미국물리학회가 발간하는 과학 전문지 ‘피지칼리뷰레터스’ 21일자 온라인판에 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
