한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 이경진 교수와 연세대 물리학과 김경환 교수 공동 연구팀이 반도체 속 전자의 궤도(오비탈) 운동 방식으로 자성체의 방향과 성질을 조절할 수 있는 이론을 세계 처음으로 정립했다고 16일 밝혔다.

지금까지 차세대 메모리 반도체 연구는 반도체 속 전자의 '스핀'에 집중됐다.

스핀은 전자가 작은 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 회전 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다.

그러나 전자는 회전과 동시에 원자의 중심에 있는 원자핵 주위를 돌며 '오비탈'이라는 궤도 운동도 한다.

연구팀은 이번 연구에서 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자석과 같은 자성체의 오비탈과 직접 상호작용하며 정보를 전달하는 원리를 이론적으로 규명했다.

오비탈 교환상호작용은 전자가 원자핵 주위를 돌며 형성하는 궤도가 서로 영향을 주고받아 자성체의 방향이나 성질을 조절하는 현상을 말한다.

연구팀은 오비탈 방식이 기존 스핀 방식보다 효율적으로 자석의 성질을 바꿀 수 있는 것을 확인했다.

이는 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 '오비탈 기반 전자소자' 시대가 도래할 수 있다고 연구팀은 전망했다.

연구팀은 이론에 그치지 않고 실제 실험에서 이러한 효과를 측정할 수 있는 방법까지 함께 제시해 향후 관련 산업 전반에 기술 활용 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.

이번 연구 제1 저자로 참가한 KAIST 이근희 박사는 "이번 연구는 전류로 자성을 제어할 때 반드시 스핀에만 의존할 필요가 없다는 사실을 보여준 사례"라며 "전자의 궤도 운동을 활용해 자성을 이해하고 제어하는 새로운 관점은 차세대 초고속·저전력 메모리 반도체 개발의 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다.

해당 연구 결과는 지난 2월 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.