[더테크=조재호 기자] 카이스트와 기초과학연구원, 한양대가 공동 연구를 통해 초고속 초저전력 반도체 기술 구현을 위한 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술을 개발했다. 이번 기술은 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용했는데 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력이 될 것으로 기대된다.

카이스트는 물리학과 김세권 교수 연구팀이 기초연구과학연구원 복잡계 이론물리 연구단(PCS-IBS) 김경민 박사팀, 한양대학교 물리학과 박문집 교수팀과의 공동 연구로 뒤틀림 자성체를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화하는 기술을 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다.

이번에 개발한 솔리톤 안정화 기술에서 솔리톤이란 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지되는 현상을 말한다. 따라서 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계에서 경쟁적으로 진행 중이다.

이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 위상적 솔리톤으로는 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 수직이방성이라는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정하다고 알려졌다. 이는 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

김세권 교수 연구팀은 특정 단충 강자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합해 이중층 자성체를 구성하면 수직이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다.

이번 연구를 통해 발견된 안정한 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라 불리는 스핀 구조체로 이전까지 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다.

아울러 메론 안정화 기술을 확보해 수직이방성 자성체에 국한되던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대했다. 이는 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시킬 원동력으로 작용할 전망이다.

김세권 교수는 "이번 논문은 무한히 많은 가능성을 갖는 뒤틀림 자성체 기반의 새로운 물리 현상 탐색과 활용 연구의 시발점으로 작용할 것ˮ이라고 기대감을 보였다.

이번 공동 연구는 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.