[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = KAIST는 물리학과 김세권 교수 연구팀이 자석 속 전자 스핀의 소용돌이 구조인 '스커미온(skyrmion)' 형성 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 특수한 물리 조건 없이도 자성과 격자의 결합(자기-탄성 결합)만으로 스커미온이 자연스럽게 형성될 수 있다는 새로운 이론을 제시했다. 이는 기존의 상식을 뒤집는 성과로, 차세대 초저전력 정보소자 개발에 새로운 가능성을 제시한다.

스커미온은 자석 속 스핀이 소용돌이처럼 배열된 구조로, 크기가 매우 작고 안정성이 높아 차세대 스핀트로닉스 기술의 핵심 구조다. 기존 연구에서는 이러한 스커미온을 형성하기 위해 결정 구조의 비대칭성이나 강한 스핀-궤도 결합 같은 특정한 물리적 조건이 필수적이라고 알려져 있었다. 하지만 이번 연구는 이러한 제약을 극복할 수 있는 새로운 메커니즘을 제시했다.

연구팀이 주목한 것은 '자기-탄성 결합'이다. 이는 자성(스핀)과 원자 배열의 변형이 서로 영향을 주고받는 현상으로, 거의 모든 자성체에서 자연스럽게 나타나는 기본적인 물리적 성질이다. 연구팀은 이러한 결합이 충분히 강해지면 원래 일정한 방향으로 정렬돼 있던 자성의 기본 상태(바닥상태)가 스스로 불안정해지며 새로운 소용돌이형 질서로 전환될 수 있음을 이론적으로 증명했다.

특히 이 과정에서 스핀의 기울어짐과 격자 왜곡이 동시에 발생하며 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 '카이랄 스핀 구조'가 형성된다는 새로운 메커니즘을 제시했다. 이는 기존에 알려지지 않았던 물리 원리로, 자성 물질의 기본 성질만으로도 복잡한 자성 구조가 만들어질 수 있음을 보여준다.

이번 발견의 가장 큰 의의는 다양한 자성 물질에서 스커미온 구현 가능성을 크게 넓혔다는 점이다. 특히 최근 연구가 활발한 2차원 자성 물질(원자 두께 수준의 매우 얇은 자성 물질)에서도 이러한 구조를 구현할 수 있다는 가능성을 제시했다. 이는 기존보다 수십~수백 배 높은 정보 저장 밀도를 구현할 수 있는 차세대 초저전력 정보소자 개발에 새로운 길을 열어준다.

김세권 교수는 "이번 연구는 특정한 특수 상호작용이 없어도 스커미온 같은 자성 구조가 형성될 수 있음을 보여준 것으로, 특히 2차원 자성 물질에서도 이러한 구조를 구현할 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다.

고경춘 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 물리학 분야 세계적 권위 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 11일 자로 게재됐다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스(브레인풀 플러스), 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

스핀트로닉스 기술은 전자의 전하 특성뿐 아니라 스핀이라는 자기적 성질을 활용해 정보를 저장하고 처리하는 기술로, 차세대 반도체 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다. 이번 연구는 AI 시대 급증하는 전력 소비 문제를 해결할 수 있는 저전력 정보소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

biggerthanseoul@newspim.com