격자(원자 배열)와 스핀의 상호작용으로 생긴 비대칭적인 스핀 배열. (AI 생성이미지)

자석 속 전자 스핀이 소용돌이처럼 배열된 '스커미온'은 차세대 스핀트로닉스 기술 핵심 구조다. 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 이런 스커미온이 특수한 물리 조건 없이도 자석의 기본적인 물리 작용만으로 형성될 수 있음을 밝혔다.

다양한 자성 물질에서 스커미온 구현 가능성을 넓혀 기존보다 수십~수백 배 높은 정보 저장 밀도를 구현할 수 있는 차세대 초저전력 정보소자 개발에 새로운 가능성을 제시한다.

KAIST는 김세권 물리학과 교수팀이 자성과 격자의 결합(자기-탄성 결합)만으로 소용돌이형 자성 구조가 자연스럽게 만들어질 수 있다는 새로운 이론을 제시했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 자석 속 스핀(전자들이 가지는 작은 자석 성질)과 격자 변형(원자 배열이 미세하게 뒤틀리는 현상)이 서로 영향을 주고받는 작용만으로도 소용돌이 모양의 자성 구조가 스스로 형성될 수 있음을 밝혔다.

특히 자성 물질 내부에서 나타나는 소용돌이형 스핀 구조인 스커미온은 크기가 매우 작고 안정성이 높아 초고밀도·저전력 정보소자로 활용될 가능성이 높다. 그러나 지금까지 이러한 스커미온 구조를 형성하기 위해서는 결정 구조의 비대칭성이나 강한 스핀-궤도 결합과 같은 특정한 물리적 조건이 필요하다고 알려져 있었다.

연구팀은 대부분의 자성 물질에 자연스럽게 나타나는 '자기-탄성 결합'만으로도 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 구조가 스스로 형성될 수 있음을 이론적으로 밝혔다.

자기-탄성 결합은 자성(스핀)과 원자 배열의 변형이 서로 영향을 주고받는 현상으로, 거의 모든 자성체에서 나타나는 기본적인 물리적 성질이다. 연구팀은 이러한 결합이 충분히 강해지면 원래 일정한 방향으로 정렬돼 있던 자성의 기본 상태(바닥상태)가 스스로 불안정해지며 새로운 소용돌이형 질서로 전환될 수 있음을 보였다.

특히 이 과정에서 스핀의 기울어짐과 격자 왜곡이 동시에 발생하며 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 '카이랄 스핀 구조'가 형성된다는 새로운 메커니즘을 제시했다.

김세권 교수는 “이번 연구는 특정한 특수 상호작용이 없어도 스커미온 같은 자성 구조가 형성될 수 있음을 보여준 것으로, 특히 최근 연구가 활발한 2차원 자성 물질(원자 두께 수준의 매우 얇은 자성 물질)에서도 이러한 구조를 구현할 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

고경춘 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 물리학 분야 세계적 권위 학술지 피지컬 리뷰 레터스에 2월 11일 자로 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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