한인 과학자들이 주도하는 한미 공동연구팀이 스핀전자공학(Spintronics) 기술의 기반이 되는 나노 크기의 자성체 배열에서 스핀방향이 결정되는데 수반되는 무질서도(stochasticity)에 숨은 원인이 되는 혼돈(chaos)현상을 규명하였다.

스핀전자공학에서는 나노 크기 자성체 배열 속에 형성된 스핀의 방향으로 정보를 저장하는데, 이 방향이 어떻게 결정되는지 그 과정의 숨은 물리적 원인을 이론과 시뮬레이션(전산모사) 및 방사광 가속기 실험을 통하여 밝혀내었다.

이번 연구결과를 토대로 향후 나노 자성체 배열의 스핀 상태를 엄밀하게 제어할 수 있는 방법의 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

미국 로렌스버클리 국립연구소의 한국인 여성과학자 임미영 박사와 울산과학기술대학교(UNIST)의 이기석 교수(공동교신저자)가 주도하고 대구경북과학기술원(DGIST) 홍정일 교수팀이 참여한 이번 연구는, 미래창조과학부가 지원하는 ‘해외우수연구기관유치사업’ 및 ‘신진연구자지원사업’으로 수행되었고, 연구결과는 저명한 과학 전문지인 “네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)”지 온라인판에 12월17일 게재되었다.

특정 크기의 원형 형태를 가지는 나노 자성체 배열 안에서 형성되는 스핀소용돌이 구조는 스핀방향을 통해 정보를 저장할 수 있고 또한 스커미온을 원하는 배열로 형성하는데 이용할 수 있어 스핀전자공학 분야에서 많이 연구되어 온 대상이었으나 형성 과정의 물리적 근원은 알려져 있지 않았다.

본 연구를 통하여 나노 자성체 배열에서 스핀 소용돌이가 형성될 때는 복잡한 동적 과정을 거치는 것을 확인하였으며 이 과정에서 배열간의 정자기 상호작용이 매우 큰 역할을 하여 배열의 간격에 따라 스핀방향이 다르게 결정될 수도 있음을 밝혀내었다.

또한 특정 나노 자성체 배열 간격에서는 기존에 알려지지 않았던 근원적 물리 현상이 숨어 있었음을 처음으로 밝혀내었다. 즉, 통계적 과정 속에 나비효과로 잘 알려진 혼돈(chaos) 현상이 지배적인 상황이 되어 스핀방향이 무질서하게 예측불가능한 상황이 된다는 사실을 규명하였다.

떨어지는 나뭇잎, 진자의 운동, 심장의 박동, 목성 소용돌이인 대적점의 운동, 주식시장의 주가에 이르기까지 혼돈(chaos) 현상은 운동을 지배하는 근본적인 법칙으로 알려져 있으며 본 연구는 이러한 혼돈 현상이 나노 자성체의 스핀방향의 형성에서도 확연히 들어날 수 있음을 보여준 최초의 연구라는 점에서 의의가 있다.

미국 버클리 국립연구소 임미영 박사는 "스핀 소용돌이 형성의 물리적 근본 원인을 밝혀낸 이번 연구는 나노 자성체 배열에서 엄밀하게 스핀 소용돌이 상태를 제어할 수 있는 방법의 실마리를 열어줄 것으로 기대된다"고 밝혔다.

울산과학기술대학교의 이기석 교수는 "그동안 스핀 소용돌이 연구에서 카오스 현상과 같은 기본적인 물리 법칙을 연구자들이 간과했다는 사실에 놀랐으며 수십 또는 수백 만개의 나노 자성체로 이루어질 나노 스핀트로닉스 소자 구현에 있어서 이는 꼭 고려하여야 될 중요한 현상"이라고 이번 연구의 의의를 설명하였다.