韓美연구진, 신 총장 논란 X선 현미경 활용해 ‘블로흐 점’ 최초 관측 성공 : 동아사이언스

미래 정보저장소자 핵심 현상 규명

특혜 논란 임미영 연구원 비롯 DGIST·UNIST팀 공동연구

나노 자성체 내에서도 특이점이 존재할 수 있음을 보여주는 개념도. -사진 제공 UNIST

한국과 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 연구자들이 참여한 공동 연구팀이 차세대 정보처리 소자인 ‘3차원 위상 스핀 구조체’에 필요한 핵심 구조를 실제 물질에서 관측하고 움직이는 데 세계 최초로 성공했다. 초고속 반도체 소자 개발의 길을 열었다는 평가다. 특히, 지난해 말 신성철 KAIST 총장 사태로 큰 주목을 받았던 LBNL의 실험장비 X선 현미경 ‘XM-1’을 활용해 얻은 성과로, “이용 실적이 미미한 장비를 부당하게 큰 돈을 주고 이용했다”는 일각에 비판을 부정하는 증거가 하나 더 쌓이게 됐다.

임미영 LBNL 연구원과 한희성 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 연구원, 이기석 교수, 홍정일 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀은 자성체 내에서 전자의 양자역학적 성질 가운데 하나인 ‘스핀'이 정확히 0이 되는 특이점인 ‘블로흐 점’을 안정적으로 형성하고, 그 움직임을 관측하는 데 처음으로 성공해 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 5일자에 발표했다.

정보는 다양한 방식으로 기록될 수 있다. 자기장을 이용하는 경우 N극 또는 S극을 이용해 0 또는 1의 디지털 정보를 기록한다. 위상 스핀 구조체에서는 스핀의 구조가 정보를 저장하는 단위가 된다. 특히 3차원 위상 스핀 구조체에서는 블로흐 점이 정보 단위 역할을 한다.

블로흐 점은 물질 내에 존재하는 일종의 ‘블랙홀’로, 이 점에서는 스핀이 사라지고, 주변의 스핀이 마치 블랙홀로 빨려 들어가는 물질의 소용돌이처럼 일정한 방향으로 회전한다. 이 소용돌이의 회전 방향이나 위치 등을 이용해 각기 다른 정보를 기록하는 게 3차원 위상 스핀 구조체다.

연구팀은 블랙홀이 주변 시공간에 큰 영향을 미치듯, 블로흐 점의 존재도 자성체 내의 스핀을 바꾸는 역할을 한다는 사실에 주목했다. 만약 블로흐 점을 통제할 수 있으면, 정보를 자유자재로 기록하고 지우는 차세대 소자를 만들 수 있다. 그 동안 블로흐 점을 관측하거나 통제하려는 시도가 많았지만, 수 나노초(1나노초는 10억 분의 1초)의 아주 찰나의 시간 동안만 존재할 수 있어 사실상 관측이 불가능했다.

다양한 형태의 XM-1 활용 사례. -사진 제공 UNIST

연구팀은 아주 짧은 시간의 미세한 스핀 구조를 관측할 수 있는 LBNL의 X선 현미경(XM-1)을 이용해, 두께 100nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m)의 니켈-철 합금 원반 조각을 관찰했다. 그 결과 니켈-철 합금 원반 조각 내에서 시계 방향 또는 반시계 방향, 위 또는 아래의 네 가지 서로 다른 구조로 회전하는 블로흐 점을 관측하는 데 성공했다. 또 이 원반에 3나노초 동안 약한 자기장을 걸면 블로흐 점이 파괴되지 않고 이동한다는 사실도 발견했다. 연구팀은 “블로흐 점이 안정적으로 존재할 수 있다는 사실과, 자기장을 통해 블로흐 점의 위치를 조절할 수 있음을 처음으로 확인했다”며 “실리콘 기반 반도체를 대체할 수 있는 초고속 스핀 소자를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 의의를 설명했다.

한편 이번 연구에 참여한 LBNL과 장비 XM-1은 지난해 말 신성철 KAIST 총장을 둘러싼 논란의 핵심에 있었던 곳이라 눈길을 끈다. 당시 과학기술정보통신부는 신 총장이 DGIST 총장 재직 시절 LBNL과 DGIST 사이의 공동연구계약을 맺으며 무상으로 이용이 가능한 XM-1을 부당하게 비싼 돈을 내고 썼으며, 그 돈으로 LBNL에 근무하는 제자를 편법 지원했다는 의혹을 제기해 신 총장을 고발했다. 제자의 국내 대학 겸직교수 채용에도 관여했다는 의혹도 나왔다.

이에 신 총장 측은 “XM-1 빔 이용시간을 대량 (연중 50%) 확보하기 위해 한 적법한 계약이었으며, 겸직교수 채용에도 관여한 적 없다”고 맞섰다. LBNL도 “적법한 계약이었다”고 반발했다. 과기정통부는 다시 “(비싼 비용을 들인 데에 비해) 이용 실적이 부족하다”고 비판했다. 하지만 본보 분석 결과 국내 연구팀이 1년에 수십 시간 이상 이용한 실적이 확인됐다. 이번 연구도 수 년에 걸쳐 여러 차례 XM-1 장비를 이용한 끝에 얻은 연구 결과다. 논문 제출일은 지난해 5월로 논란 이전이며, 이후 심사 과정에서 연구팀은 서로 연구에 대한 논의를 지속해 왔다.