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"60년 만에 증명했다" 왼손 방향 스핀파 세계최초 보고
우리 대학 물리학과 김갑진 교수, 김세권 교수, 김창수 박사, 이수길 박사 연구팀이 우리 대학 신소재공학과 박병국 교수, 육종민 교수 연구팀 및 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀과 함께 협업 연구하여 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계최초로 증명했다. 이로써 스핀을 이용한 차세대 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 전망된다.
공동연구팀은 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체*에서 왼손 방향의 세차운동**을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.
*준강자성체(ferrimagnet): 서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체
**세차운동(precession): 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이나 그 현상
스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다.
스핀들의 집단적 움직임을 나타내는 스핀파의 경우, 작동 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 적으므로 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.
스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 저장할 수 있어야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등 복합적이고 난도 높은 연구가 필요하다.
주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지게 되면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.
그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다. 1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 현재까지 미시적인 수준에서의 실험으로는 관찰되지 못했던 현상이다.
공동 연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후, 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다.
이번 연구에서는 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했으며, 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상 등도 새롭게 밝혀냈다.
KRISS 황찬용 책임연구원은 “지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다”라며, “스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 또한 우리 대학 김세권 교수는 "준강자성체의 보상점에서 나타나는 새로운 물리현상을 세계 최초로 관측했다는 점에서 큰 의미를 가진다"고 평했으며, 김갑진 교수는 "이번 연구는 국내 연구진들이 공동연구를 통해 시너지를 일으켜 이룩한 성과로서 그 가치가 있다"고 밝혔다.
국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP), 한국연구재단 미래반도체 사업, 미래소재 디스커버리 사업, KAIST 특이점(프렙) 연구의 지원을 받은 이번 연구결과는 물리학 분야의 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials–IF: 38.887)에 6월 30일 온라인 게재됐다.
2020.06.30 조회수 3461 -
박병국, 김갑진 교수, 고효율 스핀 신소재 개발
〈 박 병 국 교수, 김 갑 진 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다.
이번 연구는 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 3월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
이 연구는 고려대 이경진 교수, 미국국립표준연구소(NIST)의 Mark Stiles 박사 연구팀 등과 공동으로 수행됐다.
자성메모리는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있고 집적도가 높으며 고속 동작이 가능해 차세대 메모리로 주목받고 있다.
자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이뤄지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모 전력을 결정하는 핵심 기술이다.
이번 연구에서는 강자성-전이금속 이중층이라는 새로운 소재 구조에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험을 통해 규명했다. 특히 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀 방향을 임의로 제어할 수 있다.
이 소재를 차세대 메모리로 주목받는 스핀궤도토크 기반 자성메모리에 적용하면 스핀토크 효율이 높아지고 외부자기장 없이 동작이 가능해 스핀궤도토크 자성메모리의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
스핀궤도토크 자성메모리는 고속 동작 및 비휘발성 특성으로 S램(D램에 대응하는 반도체 기억소자로 전원만 공급하면 기억된 정보가 계속 소멸하지 않는 램) 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜 모바일, 웨어러블, 사물인터넷용 메모리로 활용 가능하다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 강자성-전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도
2018.04.13 조회수 4739 -
김갑진 교수, 초고속 동작 자기메모리 핵심 기술 개발 성공
〈 김 갑 진 교수 〉
우리 대학 물리학과 김갑진 교수와 고려대학교 이경진 교수 연구팀이 차세대 자구벽 기반 자기메모리의 속도를 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.
이 연구는 물리·재료 분야 최고 권위의 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials) 9월 25일자에 게재됐다.
현재 사용되는 메모리 소자인 D램(D-RAM)과 S램(S-RAM)은 속도는 빠르나 전원이 꺼지면 메모리가 사라지는 휘발성 특성이 있고, 플래시 메모리(Flash memory)는 비휘발성이나 속도가 느리고, 하드 디스크 드라이브(HDD)는 용량은 크나 전력 사용량이 크고 충격에 약하다는 한계가 있다.
기존 메모리의 단점을 해결하기 위해 ‘자구벽 기반 자기메모리’를 개발 중이다. 자구벽 메모리의 핵심 동작원리는 전류에 의한 자구벽 이동이다. 자성 나노선을 사용하여 비휘발성 특성을 확보하고, 기계적 회전을 없앰 으로써 전력사용량을 줄인 고집적․저전력의 차세대 메모리이다.
그러나 현재까지 연구결과, 자구벽 메모리의 동작 속도는 최대 수백 m/s로 속도에 한계가 있고, 이는 자구벽이 회전하면서 움직이는 ‘워커붕괴현상*’ 때문이라고 알려져 있다.
따라서 자구벽 메모리의 실용화를 위해 워커붕괴현상을 제거하여 동작 속도를 높일 수 있는 핵심기술 개발이 요구됐다.
자구벽 메모리 연구는 대부분 ‘강자성체’ 물질을 사용했으며, 강자성체의 경우 자구벽이 회전하는 워커붕괴현상을 피할 수 없다.
연구팀은 자기메모리 연구에 ‘페리자성체’인 GdFeCo를 사용한 결과 특정조건을 만족할 경우 워커붕괴현상을 없앨 수 있는 원리를 발견했고, 이를 이용해 자구벽의 이동 속도를 상온에서 2 km/s 이상까지 증가시키는데 성공했다.
자구벽 메모리는 고집적·저전력·비휘발성을 갖춘 메모리로서 이번 연구로 발견한 초고속 동작 특성이 추가된다면 하드디스크를 뛰어넘는 차세대 메모리가 될 것으로 기대된다.
김갑진 교수는 “이번 연구는 페리자성체의 각운동량이 0인 지점에서 나타나는 새로운 물리 현상을 발견했다는 점에서 의미가 크고, 향후 차세대 메모리 구현을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 선도연구센터지원사업(응집상 양자 결맞음 연구센터)과 DGIST 위탁연구(바이오자성 글로벌 연구센터) 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 페리자성체를 이용한 자구벽 메모리 소자의 개념도
그림2. 자구벽 속도 측정 소자의 개략도 및 실험 결과
2017.10.20 조회수 5338