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인하대 유천열 교수팀, 이론으로만 예측되던 스핀 소용돌이 만드는 힘 측정 성공
스커미온 기반 스핀 메모리 소자 개발에 크게 기여할 것으로 기대
 
서울시민신문
▲ 그림 a는 브릴루앙 광산란 실험의 개략도와 시료의 구조(아래부터 플래티늄, 코발트, 산화알루미늄 층), 시료의 표면에서 발생하는 스핀파의 전달을 도식하였고, 그림 b는 실험 결과로 브릴루앙 광 산란에서 발생한 스핀파의 에너지가 진행방향에 따라서 차이가 남을 보여주고 있다. (사진제공=한국연구재단)     © 서울시민신문
교육부(장관 : 황우여)와 한국연구재단(이사장 : 정민근)은 “국내 연구진이 그동안 이론적으로만 예측되었던 중금속과 자성체의 계면에서 발생하는 비대칭 교환 상호작용(DMI)의 힘을 정량적으로 측정하는데 성공했다”고 밝혔다.

인하대 유천열 교수 등은 계면 비대칭 교환 상호작용의 정량적 분석을 교육부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구사업(일반연구자지원)을 통해 수행하였으며, 이번 연구 결과물은 권위 있는 과학 학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인 판 7월 8일자(논문명 : Thickness dependence of the interfacial Dzylaoshiskii-Moriya interaction in inversion symmetry broken systems)에 게재되었다.

이번 논문명의 제1저자는 인하대 박사과정 조재훈 연구원이며, 교신저자는 인하대 유천열 교수, 공동 교신저자는 네덜란드 아인트호벤 대학교 김준서 연구원이다.

기존 SRAM, DRAM 등의 메모리 소자는 집적 밀도 및 발열 등의 면에서 한계에 달했기에, 저전력/고밀도/비휘발성의 스핀 기반 메모리가 차세대 메모리로 각광받고 있다.

스핀은 원자핵을 중심으로 자전하며 공전하는 전자의 움직임 중 자전하는 현상을 일컫는다.

비대칭 교환 상호작용(DMI)은 스핀-궤도 돌림힘의 일종으로, 자성 물질의 스핀은 평소 한 방향으로 나란히 배열되어 있다가 DMI가 커지면 수십 개 씩 짝을 지어 스커미온이라는 작은 소용돌이 모양으로 재배열된다. 자성을 이용한 메모리의 저장능력과 속도는 소자의 크기와 이동 속도에 따라 결정되는데, 스커미온은 그 크기가 매우 작고 이동 속도 또한 매우 빠르기 때문에 소용돌이 방향을 디지털 신호화 하면 초고밀도, 고속력 메모리 소자 개발이 가능하다.

그러나 스커미온을 만드는 DMI는 지금까지 이론적으로만 예측되어 왔다. 이는 최근에 와서야 박막증착 기술 발전으로 나노미터 이하 두께의 시료 제작이 가능해졌기 때문이다.

스핀-궤도 돌림힘(SOT; spin-orbit torque)은 자성이 있는 물질에 인접한 도체 물질 속 전자의 공전 궤도가 자성 물질의 스핀 방향을 바꾸려는 현상이다.

연구팀은 중금속인 플래티늄 박막 위에 강한 자성체인 코발트를 1~2nm로 입힌 시료와 코발트 합금(CoFeB)을 같은 두께로 입힌 시료의 2가지 물질로 실험을 진행했고, 물질의 DMI를 측정하기 위해 브릴루앙 광 산란 실험을 실시하였다.

브릴루앙 광 산란 실험은 에너지 보존을 이용하여 빛이 자성체에 부딪힌 후 빛의 에너지 변화를 통하여 자성체가 가지고 있는 특성을 분석하는 실험방법이다.

연구팀은 실험을 통해 두 가지 시료에서 모두 스커미온을 만드는 DMI의 크기를 정확하게 구현해 냈다.

이를 통해 DMI와 자성 물질 두께의 상관관계를 확인하고, 그 원인이 두 물질 층의 경계면에 있음을 밝혔다. 이는 향후 DMI를 제어하는 기술 개발로 이어져 스커미온 기반 스핀 메모리 소자를 개발하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구에 참여한 유천열 교수는 “그동안 이론으로만 존재했던 DMI의 값을 정확히 구하였다는 점에서 학문적 의미가 크고 앞으로 SRAM이나 DRAM과 같은 기존 메모리에 비해서 저장 용량이 수십~수백 배 크고, 동작 속도도 수천 배 빠를 수 있는 제 2세대 스핀 기반 메모리 소자개발에 있어 핵심적인 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
/ 서울시민신문 인터넷부 엄재성 기자 news@seoulnewspaper.kr/

기사입력: 2015/07/29 [17:51]  최종편집: ⓒ 서울시민신문
 
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