외부 전류 자극에 의해 시간에 따라 변하는 스커미온 호흡운동 모식도./사진제공=DGIST2009년 발견된 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체인 ‘스커미온(skyrmion)’은 특유의 위상학적 안전성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 큰 주목을 받고 있다.
최근 국내 연구진이 스커미온을 사용해 차세대 초저전력, 초고주파 통신소자에 적용 가능한 기술을 개발했다.
우성훈 한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 선임연구원 연구팀이 홍정일 대구경북과학기술원(DGIST) DGIST-LBNL 신물질연구센터장(신물질과학전공 교수) 연구팀과의 공동연구를 통해 스커미온 스핀 구조체를 사용해 기존에 제시된 바 없는 전혀 새로운 형태의 차세대 광대역 통신소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다고 29일 발표했다.
‘스커미온’이라는 구조체의 경우 그 크기가 수 nm로 매우 작고 전류에 의한 이동이 매우 용이해, 차세대 고집적 메모리 소자의 기본 단위로서 큰 주목을 받아 왔다.
최근에는 스커미온이 외부의 신호에 반응하여 크기가 커졌다 작아졌다를 반복하는 독특한 동역학적 움직임인 ‘스커미온 호흡운동’ 현상을 사용할 때, 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 예측이 있어 왔다.
하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 수 나노 초의 빠른 움직임으로 인해 스커미온 동역학을 실제 관찰하는데 많은 어려움이 있었다.
이번에 연구진은 우수한 시공간 분해능을 가진 X-선 촬영기법을 이용해 스커미온의 미세 운동을 1 나노초(10억분의 1초) 단위로 측정하는데 성공했다. 이 번 연구를 통해 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법도 개발했다.
우성훈 KIST 스마트융합연구단 선임연구원은 “기존에 이론으로만 제시됐던 스커미온 기반의 고효율 차세대 통신소자가 실제 가능하다는 연구 결과”라며 “미래 고성능 전자기기들에 쓰일 차세대 통신 소자 개발을 앞당기는데 기여할 것”이라고 밝혔다.
미래창조과학부 지원 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업 및 스핀궤도소재연구단 미래소재디스커버리 사업으로 수행된 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 24일자 온라인판에 게재됐다.
홍정일(왼쪽) DGIST-LBNL 센터장과 우성훈 KIST 스마트융합연구단 선임연구원./사진제공=DGIST
