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마그논 오비탈 홀 효과로 반도체 발열문제 실마리
기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되는 스핀트로닉스와 오비트로닉스는 줄발열*로 인한 에너지 소모 문제가 필연적으로 동반되는 치명적인 결점이 있었다. 한국 연구진이 초저전력 오비탈** 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 기술을 개발하여 화제다.
*줄 발열: 도체에 전류가 흐를 때 일어나는 발열 현상.
**오비탈: 입자 회전 운동으로 발생되는 각운동량을 뜻함.
우리 대학 물리학과 김세권 교수 연구팀이 포항공과대학교 물리학과 이현우 교수팀과의 공동 연구로 반강자성체*에서 마그논 오비탈 홀 효과**를 세계 최초로 발견해 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)'에 게재했다고 17일 밝혔다.
*반강자성체: 인접한 원자의 전자스핀이 서로 반대로 정렬하여 순 자성이 없는 물질을 말함.
*마그논 오비탈 홀 효과: 축구의 바나나킥처럼, 마그논이 회전방향(오비탈)에 따라 진행궤적이 휘어지는 현상을 의미한다. 마그논계에서의 오비탈 홀 효과는 기존에 예측된 바가 없는 새로운 현상이기에 학문적으로 흥미로우며, 기존 스핀 자유도에 국한되었던 마그논 동역학을 오비탈 자유도를 통해 한 단계 확장하는 의의가 있음.
마그논*을 이용한 스핀트로닉스 소자의 경우 줄 발열로 인한 에너지 소모 없이 기존의 컴퓨팅 기술을 대체할 수 있다는 장점이 있어 전 세계 각국 학계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다. 마그논 스핀에 관해서는 지난 수십 년간 활발히 연구됐으나, 마그논 오비탈의 특성에 관한 이론 정립은 아직 아무도 시도하지 않은 문제였다.
*마그논: 양자화된 스핀 파동을 뜻함.
물리학과 김세권 교수 연구팀은 MnPS3(삼황화린망간)와 같이 벌집 격자를 이루는 2차원 반강자성체에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 세계 최초로 발견했다.
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 보였다. 또한 연구팀은 전기적으로 마그논 오비탈 홀 효과를 측정할 수 있는 실험방법도 제시했다. 이는 스핀 자유도에만 국한되어 있던 마그논 연구의 범위를 스핀과 오비탈로 확장한 연구 결과로 마그논 오비트로닉스라는 연구의 새 장을 열어 줄 것으로 예상된다.
김세권 교수는 "마그논 오비탈과 그 수송이론의 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제이고, 기존 정보처리 기술의 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 것ˮ이라고 기대감을 내비쳤다.
이번 연구는 우리 대학 김세권 교수, 고경춘 박사, 안대현 학생, 그리고 포항공과대학교 이현우 교수의 공동 연구로 진행되었으며, 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스(브레인 풀 플러스), 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.
2024.06.17 조회수 2755 -
고속 동작 뉴로모픽 자성 소자 핵심 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 박병국, 신소재공학과 정연식, 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 고속 동작 자성메모리의 핵심 전극 소재로 활용될 수 있는 *반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
* 반강자성체(antiferromagnetic material): 인접한 원자의 자기모멘트의 방향이 서로 반대 방향으로 평행한 구조를 가져, 외부에서 자기장을 걸었을 때 자성을 띠는 강자성체와는 달리 알짜자화값이 나타나지 않는 물질로 누설자기장이 없고 고속스위칭 특성을 갖는다.
공동연구팀의 결과는 기존의 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자의 개발 가능성을 높였다. 또한, 기존에 알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어하여 기존의 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨 메모리 특성을 보였다. 이는 뇌의 시냅스 동작을 모방할 수 있어 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과 강재민 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 11월 5일 字온라인 게재됐다. (논문명 : Current-induced manipulation of exchange bias in IrMn/NiFe bilayer structures)
자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 개발되고 있다. 기존 자성메모리는 강자성체를 기반으로 하는데, 고집적 소자에서는 강자성체에서 발생하는 누설 자기장으로 인해 인접한 자기 소자 사이에 간섭이 발생하게 된다.
이에 반해 반강자성체는 알짜 자성을 띠고 있지 않아서 누설 자기장이 발생하지 않아 이를 자성 소자에 적용하면 초고집적 자기메모리 소자 개발이 가능하게 된다. 이를 위해서 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
연구팀은 교환 결합(exchange bias)*이 형성된 반강자성체/강자성체 이중층 구조를 제작해 반강자성체에서 생성되는 스핀 전류를 이용해 반강자성체의 자화 방향이 전류의 크기와 부호에 따라 가역적으로 회전함을 실험적으로 규명했다. 또한 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 다중상태 메모리 구성이 가능함을 보였다.
* 교환결합(exchange bias): 반강자성체/강자성체 이중층 구조에서 경계면에 있는 스핀 모멘트들이 상호작용으로 결합하는 현상으로 강자성체에 유효자기장이 발생하게 된다.
연구팀이 개발한 반강자성 제어 기술 및 다중상태 스위칭 거동을 활용하면 초고집적 및 초고속 동작이 가능한 반강자성체 기반 자성메모리 및 뉴로모픽 소자의 핵심 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 강재민 박사과정은 "이번 연구는 반강자성체의 자화 방향을 스핀 전류로 제어할 수 있음을 실험으로 규명해, 향후 반강자성체를 기반으로 하는 차세대 반도체 기술로 여겨지는 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것이다ˮ 라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원 사업, KAIST 글로벌 특이점 연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.11.30 조회수 7470 -
기존 대비 10배 이상 빠른 마그논 전송현상 발견
우리 대학 물리학과 이경진, 김세권 교수 연구팀이 고려대학교 이동규 대학원생, 싱가포르국립대 양현수 교수, 이규섭 박사와 공동연구를 통해 *반강자성체에서 초고속 *마그논 전송을 실험적으로 관측하고 그 원리를 이론적으로 규명했다고 4일 밝혔다.
☞ 반강자성체(antiferromagnetic substance): 인접한 원자의 자기 모멘트들이 서로 반대방향으로 향하기 때문에 전체로서는 자력이 나타나지 않는 물질. 어떤 온도를 넘어서면 상자성체와 같은 자성을 나타낸다.
☞ 마그논(magnon): 자기 양자(Magnetic quantum)의 줄여진 신조어로 양자화된 스핀 파동을 뜻한다. 즉, 스핀파를 양자화한 준입자를 가리킨다.
양현수 교수 연구팀은 반강자성 절연체인 산화니켈(NiO)에서 마그논 전송속도가 그동안 알려져 있던 최대 속도보다 10배 이상 빠름을 실험적으로 관측했다. 그리고 이경진 교수 연구팀은 이러한 초고속 마그논 전송이 마찰력에서 기인함을 이론적으로 규명했다.
이 공동연구 결과는 반강자성 마그논을 이용한 정보처리 소자의 고속화 가능성을 열었다는 측면과 마찰력은 소자 특성을 나쁘게 한다는 기존 상식과 달리 짧은 거리에서 마그논 속도를 오히려 증가시킨다는 사실을 규명했다는 측면에서, 스핀트로닉스 분야 응용과 기초과학 모두에서 향후 관련분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.
이규섭 박사와 이동규 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 온라인 출판됐다. (논문명 : Superluminal-like magnon propagation in antiferromagnetic NiO at nanoscale distances).
산화니켈(NiO)은 반강자성 특성으로 인해 효율적인 마그논 전송이 가능하고, 전기적 절연특성으로 인해 스핀 정보 전송 시 열 손실이 없어 차세대 마그논 기반 스핀트로닉스 소자용 소재로 주목받고 있다.
양현수, 이경진 교수 공동연구팀은 2019년 산화니켈(NiO)을 통한 마그논 전류가 매우 큰 스핀 각운동량을 전달하며 그 결과 효율적으로 자화를 반전시킬 수 있음을 보고한 바 있다. [Science 366, 1125-1128 (2019)] 2019년 연구는 마그논이 운반하는 스핀의 크기에 집중한 반면, 이번 연구는 그 속도에 집중했다. 마그논 기반 스핀트로닉스 소자의 저전력 구동을 위해서는 마그논이 전달하는 스핀 정보의 크기와 속도 모두 중요하다.
기존 연구에서는 산화니켈(NiO)의 마그논 속도를 밀리미터 크기의 샘플에 대해 비탄성 중성자 산란을 이용해 간접 측정한 반면, 이번 연구에서는 나노미터 크기의 샘플에 대해 테라헤르츠 분광 장비(THz emission spectroscopy)를 활용해 마그논 속도를 직접 측정했다. 그 결과 기존 간접 측정에서 보고되었던 40km/s에 비해 10배 이상 큰 650 km/s의 빠른 마그논 전송을 관측했다.
이론 연구를 통해 이러한 초고속 마그논 전송이 산화니켈(NiO) 내에서 마그논이 경험하는 마찰력 때문임을 밝혔다. 이러한 초고속 전송 현상은 광학 분야에서 `빛보다 빠른 전송(Superluminal propagation)'으로 불리는 현상과 유사하다. 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의하면 빛보다 빠른 전송은 불가능하지만, 손실이 있는 매체에 빛이 지나가는 경우 비정상적 분산관계로 인해 마치 빛보다 빠른 전송이 일어나는 것처럼 보이며 이는 인과율을 위배하지 않는다.
이번 연구에서 연구팀은 빛의 경우와 마찬가지로 마찰력을 갖는 반강자성 물질에서 마그논이 전송되는 경우 비정상적 마그논 분산관계로 인해 유사한 현상이 발생함을 밝혔다. 실제 마그논 소자의 구동 시간은 이러한 비정상적 초고속 마그논 전송에 의해 결정되므로 응용 소자 측면에서 파급력이 있을 것으로 기대된다. 또한 마찰력은 모든 물질에 존재하기 때문에, 이 연구에서 밝힌 초고속 마그논 전송은 매우 일반적 물리현상이라는 측면에서 기초 학문적 가치도 클 것으로 기대된다.
제1 저자인 이규섭 박사는 "자성체 기반의 이중 층에서의 `스핀 전류의 발생현상'을 시분해 테라헤르츠 분광 장비를 통해 비접촉 방식으로 검출하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이번 연구를 통해 `스핀 전류의 발생에 이은 수송현상에 대한 동역학' 또한 분석됨을 보였다ˮ라며, "나노미터 두께의 정보 소자의 정보전달속도를 초고속 시분해능(~10 펨토초)로 분석하는 데 활발히 사용될 것으로 기대한다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구과제, SRC센터과제, 싱가포르 정부과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.11.05 조회수 8221