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미래 메모리 기술의 결정체 '스커미온 입자' 제어 첫 성공

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2018년 11월 06일 01:00 프린트하기

스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온 (위)과 그 단면의 모습 (아래). -사진 제공 IBS
스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온 (위)과 그 단면의 모습 (아래). -사진 제공 IBS

국내 연구진이 차세대 고정밀, 저전력, 초소형 전자소자의 유력한 후보인 ‘스커미온’ 입자를 실시간으로 제어하는 데 성공했다. 차세대 자성 메모리 소자를 개발할 가능성이 한층 높아졌다는 평가다.


기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 왕링페이, 이기훈 연구원과 노태원 단장 연구진은  양(+)극과 음(-)극이 구분되는 물질인 ‘강유전체’이면서 금속이 아닌 물질에서 처음으로 스커미온을 발견했다고 국제학술지 ‘네이처 머티리얼’ 5일자에 발표했다.


스커미온은 이제까지 사용되던 다른 전자소자와 달리 ‘위상학’이라는 특성을 갖는 입지다. 위상학은 수학의 한 분야로, 어떤 도형이 마치 찰흙을 주무르듯 모양을 변형시키면 같은 모양으로 바꾸는 것이 가능하고, 같은 부류로 분류하는 것도 가능하다는 이론이다.

 

한 예로 손에 든 마우스와 노트북은 모양이 다르지만, 둘 다 주물러 뭉치면 공 모양으로 똑같이 만들 수 있다. 공 모양, 마우스 모양, 노트북 모양은 같은 위상학 구조인 셈이다. 하지만 컵에는 귀 모양의 손잡이 고리가 있다. 물이 담기는 부분은 공 모양으로 만들 수 있지만, 이 귀 모양의 고리 부분은 사라지지 않는다. 실 구멍이 있는 바늘, 훌라후프, 병따개 등 '고리'가 하나라도 포함된 도형은 같은 위상학 구조로 분류된다. 2016년에는 위상학 구조를 갖는 물질을 연구한 학자들이 노벨 물리학상을 받기도 했다. 


스커미온은 ‘스핀’이라고 하는 양자역학적 성질을 이용하는 입자다. 하지만 스핀 자체의 '방향'을 정보의 기본 단위로 이용했던 기존 저장기술과 달리, 스핀이 회오리 형태로 휘감아 ‘고리’를 만드는지 여부로 정보를 분류한다. 스커미온이 형성되면(고리가 1개 생기면. 컵과 바늘과 같은 위상학 구조) 1로, 사라지면(노트북, 마우스, 공과 같은 위상학 구조) 0으로 정보를 기록하는 식이다. 


스커미온을 이용해 기록한 데이터는 자성의 N극, S극을 이용해 1이나 0을 기록했던 현재의 자성 전자소자에 비해 전력을 100만 분의 1만 쓸 수 있어 경제적인 데다, 잘 사라지지 않아 매우 안정적이라는 특성이 있다.


스커미온을 저장매체로 쓰려면, 크기가 100㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 2m) 미만의 초소형 스커미온을 만들고, 이것을 좁은 면적에 많이 배치할 수 있어야 한다. 실시간으로 제어를 해야 한다. 지금까지 이런 물질을 만든 적도, 제어한 적도 없었다.


왕 연구원팀은 강유전체인 티탄산바륨과 자성체인 스트론튬루테네이트 박막을 여러 층 쌓은 뒤, 자기장에 따른 저항을 측정했다. 이 과정에서 스커미온을 지닌 물질에서 흔히 보이는 이상한 효과를 발견했다. 외부 자기장 없이도 전자가 가해진 전기장에 수직 방향으로 휘는 현상이었다. 이는 스핀의 회전 때문에 생기는 현상으로, 스커미온이 만든 결과로 추정할 수 있다.


연구팀은 곧바로 확인에 들어갔다. 중국 고자기장연구소와 공동연구를 통해 이 재료에 있을 것으로 추정되던 스커미온의 크기를 직접 자기력현미경으로 측정했다. 그 결과 지름 100㎚보다 작으며, 이런 스커미온이 다수 존재한다는 사실을 확인했다. 정보 저장매체로 사용할 가능성을 확인한 것이다. 연구팀은 전기로 강유전체의 양극, 음극에 변화를 주고, 이것이 제작한 재료의 구조에 영향을 미치며, 최종적으로 스커미온의 밀도를 조절해 준다는 사실을 확인했다. 


이 연구는 스커미온을 만드는 새로운 방법과 함께, 스커미온을 손쉽게 제어할 수 있는 방법을 찾은 것으로 평가 받는다. 연구팀은 향후 스커미온을 이용해 스핀트로닉스 소자 등 미래형 정보 소자를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.


노 단장은 “응집물질 물리학의 주요 연구 주제인 ‘스커미온’과 ‘강유전성’을 융합한 연구”라며 “국내외 연구자가 개방적 연구를 통해 이룩한 성과인 만큼, 앞으로도 개방적 연구를 통해 세계가 주목하는 연수 성과를 내겠다”고 말했다.
 

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