국내 연구진이 중금속과 자성체의 계면에서 스핀 소용돌이를 만들어내는 힘인 비대칭 교환 상호작용(DMI)의 크기를 정량적으로 측정하는 데 성공했다.

교육부와 한국연구재단은 28일 인하대 유천열 교수와 조재훈 박사과정 연구원, 김준서 네덜란드 아인트호벤대 연구원이 기초연구사업 지원으로 수행한 연구에서 이 같은 성과를 냈다고 밝혔다.

SRAM, DRAM 등 기존 메모리 소자가 한계를 나타내면서 최근 대안으로 각광받는 저전력·고밀도·비휘발성의 스핀 기반 메모리는 DMI의 영향을 받는다.

DMI는 스핀-궤도 돌림힘(SOT; 자성이 있는 물질에 인접한 도체 물질 속 전자의 공전 궤도가 자성 물질의 스핀 방향을 바꾸려는 현상)의 일종이다.

스핀은 평소 한 방향으로 나란히 배열돼 있다가 DMI가 커지면 수십개씩 짝을 지어 스커미온이라는 작은 소용돌이 모양으로 재배열된다.

자성을 이용한 메모리의 저장 능력과 속도는 소자의 크기와 이동 속도에 따라 결정되는데, 스커미온은 크기가 매우 작고 이동 속도가 빨라 소용돌이 방향을 디지털 신호화하면 초고밀도·고속력의 메모리 소자 개발이 가능하다.

그러나 나노미터 이하 두께의 시료 제작이 최근에야 가능해진 탓에 스커미온을 만드는 DMI는 지금까지 이론으로만 예측돼왔다.

연구진은 중금속인 플래티늄 박막 위에 강한 자성체인 코발트를 1∼2㎚로 입힌 시료와 코발트 합금(CoFeB)을 같은 두께로 입힌 시료 등 두 가지 물질로 '브릴루앙 광 산란' 실험을 진행했다.

이 실험은 에너지 보존을 이용, 빛이 자성체에 부딪힌 후의 에너지 변화를 통해 자성체가 갖는 특성을 분석하는 방법이다.

그 결과 연구진은 두 가지 시료에서 모두 스커미온을 만드는 DMI의 크기를 정확하게 측정했다. 또 두 물질 층의 경계면 때문에 DMI가 자성물질 두께의 역수에 비례한다는 상관관계도 밝혀냈다.

이는 앞으로 DMI를 제어하는 기술 개발로 이어져 스커미온 기반 스핀 메모리 소자를 만들어내는 데 크게 기여할 것으로 기대된다고 연구진은 밝혔다.

유천열 교수는 "그동안 이론으로만 존재했던 DMI의 값을 정확히 구했다는 점에서 학문적 의미가 크다"며 "앞으로 제2세대 스핀 기반 메모리 소자를 개발하는 데 핵심적인 기술이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 권위 있는 과학 학술지인 네이처 커뮤니케이션 온라인판 7월 8일 자에 게재됐다.