국내 연구진이 외부 자기장이나 극저온 장치 없이도 전자의 스핀 방향을 조절할 수 있는 '키랄(chiral) 자성 나노나선' 구조를 만들고, 이를 이용해 스핀을 선택적으로 이동시키는 기술을 개발했다.

고려대 김영근 교수팀(제1 저자 전유상 박사, 정은진 연구원)과 서울대 남기태 교수팀은 5일 과학 저널 사이언스(Science)에서 자성 키랄 나선구조를 만들고, 상온을 포함한 넓은 온도 범위에서 스핀을 조절할 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

스핀은 전자가 갖는 고유한 자기적 성질로, 양자역학적으로 업(↑)과 다운(↓) 두 상태를 가지며, 스핀트로닉스(Spintronics) 기술은 두 가지 스핀 상태를 제어하고 감지하는 것이 핵심이다.

스핀트로닉스는 더 빠르고 에너지 효율이 높은 데이터 저장과 논리 소자가 가능하고, 전류에 의존하지 않기 때문에 전기가 꺼져도 정보가 지워지지 않는 비휘발성 메모리인 자성메모리(MRAM) 등 차세대 정보소자 기술로 주목받아 왔다.

하지만 스핀트로닉스를 실현하기 위해서는 먼저 전자의 스핀 방향을 정밀하게 제어할 수 있는 물질을 개발해야 하는 과제가 남아 있다.

연구팀은 이 연구에서 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 조절해 '키랄 자성 나노나선 구조'를 제작하는 데 성공했다. 이 과정에서 소량의 키랄 유기분자(신코닌과 신코니딘)를 도입해 나선이 원하는 방향으로 꼬이도록 유도한 것이다.

키랄은 오른손과 왼손처럼 거울대칭으로 방향이 반대여서 이동이나 회전으로는 겹칠 수 없는 분자 구조로, 완전히 똑같은 원자들로 구성돼 있어도 완전히 다른 특성을 나타내게 된다.

연구팀이 만든 키랄 자성 나노나선 구조는 특정 방향 스핀만 잘 통과시키고 반대 방향 스핀은 막는 것으로 실험에서 입증됐다.

연구팀은 이는 3차원 나노나선 구조의 회전성만으로 스핀을 선택적으로 걸러내고 이동시킬 수 있음을 처음으로 밝혀낸 것이라며 자성 나노나선의 본래 자성 덕분에 이 구조를 통과한 스핀은 상온에서도 멀리 이동할 수 있음이 확인됐다고 밝혔다.

이어 나노나선이 회전하는 자기장 속에서 스스로 전압(기전력)을 만들어내는 성질을 이용해 키랄성을 정량적으로 확인하는 새로운 방법도 개발했다고 덧붙였다.

김영근 교수는 "자성체는 그 자체로 전자의 스핀을 정렬하는 능력이 있어 키랄 구조에 의한 스핀 흐름 조절이 가능하다"며 "이 연구로 그동안 이론과 실험으로 보고된 키랄 스핀트로닉스 원리를 더 잘 이해하는 계기가 됐다"고 말했다.

남기태 교수는 "유기물과 달리 금속의 경우, 나노스케일에서 키랄성을 제어하는 것은 중요한 과학적 난제"라며 "이 연구는 분자를 이용한 나선의 꼬인 방향성을 제어한 최초의 결과"라고 의의를 밝혔다.

◆ 출처 : Science, Young Keun Kim and Ki Tae Nam et al., 'Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices', https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5963