[인더스트리뉴스 조창현 기자] 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되는 스핀트로닉스와 오비트로닉스는 줄발열로 인한 에너지 소모 문제가 동반된다는 결점이 있다. 줄발열은 도체에 전류가 흐를 때 열이 발생하는 현상을 의미한다.

관련 문제 해결을 위해 국내 연구진들이 힘을 합쳐 초저전력 오비탈을 기반으로 정보처리 기술에 대한 기틀을 세울 수 있는 기술을 개발해 냈다. 오비탈은 입자 회전 운동으로 발생되는 각운동량을 뜻한다.

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김세권 교수연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 이현우 교수팀과 공동 연구로 반강자성체에서 ‘마그논 오비탈 홀 효과’를 세계 최초로 발견, 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지 나노레터스(Nano Letters)에 게재했다고 17일 밝혔다.

마그논 동역학 관련 이론적 확장

구체적으로 김세권 교수 연구팀은 삼황화린망간(MnPS3)와 같이 벌집 격자를 이루는 2차원 반강자성체에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 사실을 세계 최초로 발견했다. 마그논 오비탈 홀 효과는 축구 기술 중 바나나킥과 같이 마그논이 회전 방향에 따라 진행 궤적이 휘는 현상을 말한다.

KAIST에 따르면 마그논계에서 오비탈 홀 효과는 지금까지 예측된 바 없는 새로운 현상이기에 학문적으로 흥미롭고, 기존 스핀 자유도에 국한됐던 마그논 동역학을 오비탈 자유도를 통해 한 단계 확장한다는 데 의의가 있다.

마그논을 이용한 스핀트로닉스 소자는 줄발열로 인한 에너지 소모 없이 기존 컴퓨팅 기술을 대체할 수 있다는 장점이 있다. KAIST는 전 세계 각국 학계에서 관련 분야에 대한 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있으며, 지난 수십 년간 활발히 연구됐으나 마그논 오비탈이 가진 특성에 관한 이론 정립은 아직 아무도 시도하지 않은 문제였다고 설명했다.

효과 측정 가능한 실험방법 제시

기존에 알려진 마그논 홀 효과는 스핀궤도결합에 의해 비롯되는 경우가 많아 크기가 작은 경우가 많다. KAIST 연구진이 진행한 연구를 통해 발견된 효과는 스핀궤도결합과 무관하게 결정구조에서 기인하기에 크기가 기존 대비 크다.

아울러 연구팀은 관련 효과를 전기적으로 측정할 수 있는 실험방법도 제시했다. KAIST는 관련 연구는 마그논 연구에 대한 범위를 스핀과 오비탈로 확장했기에 ‘마그논 오비트로닉스’ 연구에 대한 새 장을 열어 줄 것으로 예상된다고 강조했다.

KAIST 김세권 교수는 “마그논 오비탈과 관련 수송이론에 대한 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제”라며, “기존 정보처리 기술이 가진 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술에 대한 기틀을 세울 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

한편 김세권 교수가 포항공과대학교 물리학과 이현우 교수팀과 공동으로 진행한 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 해외우수과학자유치사업플러스, 세종과학펠로우십으로부터 지원을 받아 수행됐다.

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