메모리 자성제어 '스핀'대신 '오비탈'로…"읽는속도 1만배 빨라져"

KAIST-연세대, "차세대 초고속·저전력 소자 개발 가능할 것…새 이론 제시"

국내 연구진이 전자의 스핀 교환상호작용 대신, 오비탈(궤도)을 통해 자성을 자유자재로 조절할 수 있는 가능성을 제시했다. 이 같은 방법으로 메모리를 만들 경우 읽는 속도를 기존대비 1,000배에서 최대 1만배까지 끌어올릴 수 있다.

KAIST는 이경진 물리학과 교수와 김경환 연세대학교 물리학과 교수 연구팀이 전자의 오비탈 원리로 차세대 자성소자 및 교자성 소자를 설계할 수 있는 새로운 이론 체계를 정립했다고 16일 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

이근희 KAIST 박사와 이경진 교수.(사진=KAIST)

오비탈 교환상호작용은 전자가 원자핵 주위를 돌며 형성하는 궤도(오비탈)가 서로 영향을 주고받아 자석 방향이나 성질을 조절하는 현상이다.

차세대 메모리 연구는 전자 ‘스핀’에 주로 집중해 왔다. 스핀은 전자가 마치 작은 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 회전 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다.

그러나 전자는 동시에 원자의 중심에 있는 원자핵 주위를 돌며 ‘오비탈’이라는 궤도 운동도 한다.

이준희 박사는 "전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체 오비탈과 직접 상호작용하며 정보를 전달한다는 원리를 이론적으로 규명했다"며 "이를 통해 기존 스핀 방식보다 훨씬 효율적으로 자석의 성질을 바꿀 수 있음을 확인했다"고 말했다.

전류가 단순히 자석 방향만 바꾸는 것이 아니라, 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 고유한 물성 자체를 조절할 수 있다는 점을 규명한 것.

특히 연구팀은 오비탈을 이용한 제어 효과가 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 수 있음을 확인됐다. 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 ‘오비탈 기반 전자소자’ 시대의 가능성을 제시했다.

연구팀은 이론에 그치지 않고 실제 실험에서 이러한 효과를 측정할 수 있는 방법까지 함께 제시했다.

이준희 박사는 "최근 학계에서 큰 관심을 받고 있는 교자성 물질에서도 이 원리가 적용될 수 있다"며 "미래형 논리 소자와 메모리 소자 개발을 위한 강력한 이론적 토대가 마련될 것"으로 기대했다.

교자성은 원자 속 전자 스핀이 서로 다른 방향으로 규칙적으로 배열된 새로운 자성 물질이다. 겉으로는 자석처럼 보이지 않지만 전자 움직임에는 큰 영향을 준다. 이러한 특성 덕분에 전자 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 메모리 제어와 고속·저전력 반도체 소자를 위한 소재로 주목받고 있다.

이근희 박사는 “이번 연구 결과는 전류로 자성을 제어할 때 반드시 ‘스핀’에만 의존할 필요가 없다는 사실을 보여준 사례”라며 “전자의 궤도 운동인 오비탈을 활용해 자성을 이해하고 제어하는 새로운 관점은 차세대 초고속·저전력 메모리 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다.