[대학저널 유제민 기자] DGIST(총장 손상혁)의 DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장 연구팀과 KIST(한국과학기술연구원, 원장 이병권)의 스핀융합연구단 우성훈 선임연구원 연구팀은 공동연구를 진행, '스커미온*' 스핀 구조체를 사용해 새로운 형태의 차세대 광대역 통신소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다.
*스커미온(Skyrmion): 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열돼 형성되는 스핀 구조체.

스커미온은 특유의 위상학적 안전성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 큰 주목을 받고 있다.

최근 스커미온이 보이는 '스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing)*' 현상을 사용할 때 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 예측이 있었다 하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 빠른 운동 속도로 인해 스커미온 호흡운동을 실제 관측하는 연구는 현재까지 이뤄지지 못하고 있었다.
*스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing): 외부의 신호에 반응해 스커미온의 크기가 커졌다, 작아졌다를 반복하며 새로운 고주파 신호를 발생시키는 독특한 자성 동역학적 움직임.

이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시됐던 '스커미온 호흡운동'을 세계 최초로 규명한 것이다. DGIST-KIST 공동연구팀은 우수한 시공간 분해능*(Resolving Power)을 가지는 X-선 촬영기법을 이용해 외부 신호에 반응하는 스커미온의 미세 호흡운동을 1나노초(ns, 10억분의 1초) 단위로 관측하는데 성공했다.
*분해능(分解能): 현미경 등의 광학기기에서 관찰하는 대상의 세부를 상(像)으로 판별하는 능력. 분리능 또는 해상력이라고도 한다.

또한 이번 연구를 통해 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법도 개발했다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 메모리 소자로의 적용을 넘어 전자기기 전 분야에 스커미온이 큰 역할을 할 수 있음을 제시하는 중요한 연구 결과라 할 수 있다.

홍정일 센터장은 "스커미온을 활용한 새로운 접근법은 전반적인 소자의 작동 메커니즘을 새롭게 제시할 수 있어 기존의 연구 흐름에 시사하는 바가 크다"고 말했다.

우성훈 선임연구원은 "기존에 이론으로만 제시됐던 스커미온 기반의 고효율 차세대 통신소자가 실제 가능하다는 연구 결과"라며 "향후 미래 고성능 전자기기들의 효율적인 통신을 위한 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 5월 24일자 온라인판에 게재됐다. 또한 미래창조과학부 지원 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업 및 스핀궤도소재연구단(단장 김영근) 미래소재디스커버리사업으로 수행됐다.

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