정보처리 성능 향상 스핀 기반 제어 메커니즘 개발

DGIST·KRISS 공동연구팀
계면효과 스핀 정렬 상태 영향 연구
자화 반전 진행 과정 관련 작용 규명
스핀트로닉스 활용 가능성 향상 기여

국내 연구진이 자성체 기반의 차세대 정보 처리 및 저장 디바이스의 효율을 더욱 향상시킬 핵심 메커니즘을 최초로 규명했다. 대구경북과학기술원(DGIST)은 신물질과학전공 홍정일 교수팀과 한국표준과학연구원(KRISS) 황찬용 박사팀이 자성체 내 자구(磁區, magnetic domain)의 이동 메커니즘에 대한 상호 작용을 밝혀내고, 이를 효율적으로 미세 제어할 수 있는 새로운 스핀트로닉스 응용 구조를 제시했다고 22일 밝혔다.

DGIST에 따르면 스핀트로닉스 기술은 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리, 저장하는 고성능·고효율 컴퓨팅 기술 구현의 핵심 원리다. 자성체 내의 정보 이동 및 처리를 담당하는 소자의 작동원리는 ‘자화 반전’ 현상을 통해 일어나는데, 자구의 다양한 움직임과 확장 등을 통한 이동 특성에 의해 결정된다. 자구는 자성체가 일정한 방향성을 갖고 정렬돼 있는 미세한 구역으로, 자구의 배열을 통해 0과 1로 구성된 최소 데이터 단위인 ‘비트’를 생성한다.

DGIST·KRISS 공동연구팀은 자성체 내부 자구의 움직임에 반강자성체에 의한 교환바이어스 필드를 도입해, 계면효과들이 스핀 정렬 상태에 미치는 영향을 연구했다. 연구팀은 실험을 통해 DMI 효과(다중박막 내부에서 스핀들간의 비뚤어진 배열을 유도하는 효과)가 있는 자성 박막에 반강자성체를 인접시켰다. 이후 교환바이어스 효과에 의한 유효자기장을 추가 작용시켜 자구벽의 스핀 구조 변화와 이동을 관찰하면서, 자구벽의 모양과 속도 변화를 확인해 교환바이어스 유효자기장에 의해 제어될 수 있음을 확인했다.

홍정일 DGIST 교수는 “이번 연구는 반강자성체의 계면효과로 인접 자성체 내 자구 이동의 미세 제어가 가능함을 실증해, 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다”며 “지속적인 연구를 통해 반강자성체가 나타내는 새로운 스핀의 특성을 밝히고, 이에 기반한 신소재 개발을 이어나가겠다”고 말했다. 이번 연구에는 DGIST 신물질과학전공 김현중 박사졸업생과 전남대학교 제숭근 물리학과 교수가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스’ 이달 15일자 온라인에 게재됐다.

강나리기자 nnal2@idaegu.co.kr

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