왼쪽부터 성균관대 최경민 교수, 카이스트 이경진 교수.

[대학저널 온종림 기자] 성균관대학교 에너지과학과 최경민 교수 연구팀이 카이스트 이경진 교수 연구팀과 협력하여 반강자성체 물질에 기반한 70GHz 초고속 스핀 소자를 개발했다. 이 기술은 초고속 동작 자기메모리 개발을 위한 핵심 원리로 주목받고 있다.

자기메모리 (MRAM)의 0과 1의 정보는 자성체의 자화 방향으로 결정되며, 이 자화 방향을 전기적으로 제어하기 위하여 스핀-토크 (spin-torque) 원리가 이용된다. 스핀-토크는 전자의 스핀이 강자성체로 주입되면 스핀이 강자성체의 자화에 흡수되는 현상으로써, 물질 내부의 각운동량 이동에 관한 원리이다.

자성체에서는 물질의 낮은 공명주파수로 인하여 스핀 토크에 의한 동작 속도가 1 GHz 수준으로 제한된다. 본 연구진은 공명주파수가 높은 반강자성체 물질인 Mn3Sn을 이용하여 기존 자기메모리 속도 한계를 뛰어넘는 70GHz 속도로 동작하는 스핀-토크 소자를 구현했다.

이 연구는 원자 구조가 회전하는 형태인 카이럴 반강자성체에서 스핀이 어떻게 흡수되는 지를 밝혔다. 특히, 기존의 강자성체에 비하여 스핀을 흡수하는 거리인 스핀-결맞음 길이(spin coherence length)가 매우 긴 것을 보여주었다. 이처럼 긴 스핀 결맞음 길이는 스핀 토크 효율을 높이는 효과를 가져온다.

최경민 교수는 “이 연구는 스핀 전류와 반강자성체 사이의 스핀-토크 현상에 관한 구체적인 원리를 제공하여 70GHz 수준의 고속 메모리 개발을 가능케 하는 발견”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 2월 3일 게재됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 선도연구센터사업 등을 통해 수행되었다.

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