November 14,2018

예기치 않은 순간에 ‘스핀 소용돌이 입자’ 첫 발견

기초과학연구원, 강유전체·강자성체 물질서 확인

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스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온(위)과 그 단면 모습. ⓒ IBS 제공

스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온(위)과 그 단면 모습. ⓒ IBS 제공

기초과학연구원(IBS)은 강상관계 물질 연구단 연구팀이 강유전체와 강자성체를 차례로 쌓아 올린 하이브리드 물질에서 ‘스커미온’(Skyrmion) 입자를 발견했다고 6일 밝혔다.

금속이 아닌 강유전체를 이용한 스커미온 구현은 이번이 처음이다.

스커미온은 자성체 내부에서 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체를 말한다.

원자 구조를 수학적으로 설명하기 위해 처음 이 모형을 제시한 영국 입자물리학자 토니 스컴(Tony Skyrme) 교수 이름에서 명칭이 유래했다.

스커미온 생성과 소멸에 따라 데이터를 저장하는 기본 구조인 ’1′과 ’0′을 만들어낼 수 있다.

크기가 작고 안정적인 데다 기존 자성 정보소자보다 약 100만 배 적은 전력으로 작동할 수 있다.

연구진이 제작한 강유전체·강자성체 이종접합 구조 물질. 티탄산바륨과 스트론튬루테네이트를 차례로 쌓아 올린 이종접합 구조에서 스커미온 존재를 확인했다.  ⓒ IBS 제공

연구진이 제작한 강유전체·강자성체 이종접합 구조 물질. 티탄산바륨과 스트론튬루테네이트를 차례로 쌓아 올린 이종접합 구조에서 스커미온 존재를 확인했다. ⓒ IBS 제공

연구진은 금속성과 강유전성을 모두 나타내는 새로운 이종접합 구조 물질을 합성하는 과정에서 스커미온의 존재를 우연히 확인했다.

연구진은 강유전체인 티탄산바룸과 자성체 스트론튬루테네이트 박막을 차례로 쌓아 올린 구조를 제작한 뒤 자기장에 따른 저항을 측정했다.

이 도중에 스커미온을 가진 물질에서 흔히 나타나는 ‘비정상 홀 효과’(Anomalous Hall effect)가 연구진 눈에 포착됐다.

비정상 홀 효과는 외부 자기장이 없어도 자체 스핀에 따라 전기장 수직 방향으로 휘어져 움직이는 현상이다.

이종접합 구조물의 자기력현미경 이미지. 가로와 세로가 각각 4㎛인 공간 속에 매우 많은 스커미온(파란색)이 존재하고 있다. ⓒ IBS 제공

이종접합 구조물의 자기력현미경 이미지. 가로와 세로가 각각 4㎛인 공간 속에 매우 많은 스커미온(파란색)이 존재하고 있다. ⓒ IBS 제공

이후 중국 고자기장연구소와 공동연구를 통해 스커미온이 각각 100㎚ 이하 크기의 초소형이라는 점을 자기력현미경으로 확인했다.

스커미온 크기가 작을수록 한정된 면적에 많은 입자를 배치할 수 있어 전자소자 성능을 높이는 데 유리하다고 IBS 측은 설명했다.

연구진은 강유전체 특성을 이용해 자성체 스커미온 특성을 실시간으로 제어할 수 있다는 점도 증명했다.

분극 방향이 위를 향하면 자성체에 유도되는 스커미온 밀도가 높아지고, 아래를 향하면 스커미온 밀도는 낮아진다.

강유전체 특성을 활용해 스커미온을 제어한 사례는 세계에서 처음이라고 IBS 측은 덧붙였다.

전기를 걸어 손쉽게 스커미온을 제어할 수 있는 방법을 제시한 셈이다.

연구진은 이 기술이 스핀트로닉스 소자를 비롯해 스커미온을 이용한 정보 소자를 만드는 데 활용될 것으로 기대하고 있다.

노태원 강상관계물질 연구단장은 “응집물질 물리학 주요 연구 주제인 스커미온과 강유전성을 융합해보자는 시도에서 도출된 성과”라며 “차세대 고정밀·저전력·초소형 전자소자로 응용할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”고 말했다.

논문은 이날 오전 1시(한국시각) 네이처 머티리얼스(Nature Materials) 온라인판에 실렸다.

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