기존 정보처리 기술 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈(입자 회전 운동으로 발생되는 각 운동량) 기반 정보처리 기술 개발의 가능성이 열렸다. 초고속 초고집적 차세대 반도체의 발열 문제 해결의 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST)은 김세권 물리학과 교수팀이 이현우 포스텍(POSTECH) 물리학과 교수팀과 공동 연구로 반강자성체에서 마그논 오비탈 홀 효과를 세계 최초로 발견했다고 17일 밝혔다.
양자화된 스핀 파동을 뜻하는 마그논을 이용한 스핀트로닉스 소자는 줄 발열(도체에 전류가 흐를 때 일어나는 발열 현상)로 인한 에너지 소모 없이 기존 컴퓨팅 기술을 대체할 수 있다. 이에 따라 전 세계 학계에서는 경쟁적으로 관련 연구를 진행하고 있다.
연구팀은 삼황화린망간(MnPS3)과 같이 벌집 격자를 이루는 2차원 반강자성체에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 세계 최초로 발견했다.
마그논 오비탈 홀 효과는 마그논이 회전방향(오비탈)에 따라 진행궤적이 휘어지는 현상으로 마그논계에서의 오비탈 홀 효과는 기존에 예측된 바가 없는 새로운 현상이다.
그동안 마그논 스핀에 관한 연구는 활발이 진행됐으나 기존 스핀 자유도에 국한되었던 마그논 동역학을 오비탈 자유도를 통해 한 단계 확장하는 의미가 있다.
기존에 알려진 마그논 홀 효과는 스핀궤도결합에 기인하기에 그 크기가 작은 데 반해, 이번 연구를 통해 발견된 마그논 오비탈 홀 효과는 스핀궤도결합과 무관하게 결정구조에서 기인해 크기가 상당히 크다는 것을 연구팀이 이론적으로 증명했다.
연구팀은 또 전기적으로 마그논 오비탈 홀 효과를 측정할 수 있는 실험방법도 제시했다. 이는 스핀 자유도에만 국한돼 있던 마그논 연구의 범위를 스핀과 오비탈로 확장한 연구 결과로 마그논 오비트로닉스라는 연구의 새 장을 열어 줄 것으로 기대된다.
김세권 교수는 “마그논 오비탈과 그 수송이론의 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제”라며 “기존 정보처리 기술 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스, 세종과학펠로십 지원을 받아 수행됐으며, 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지 '나노 레터스'에 지난달 22일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
