[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 세종대학교 물리천문학과 천승현, 김건 교수팀이 박성균 교수팀(부산대학교)과 공동 연구로 강자성체-반강자성체 이중층에서 스커미온(skyrmion)과 같은 특이한 스핀분포의 상징인 위상홀효과를 발견했다고 28일 밝혔다.
최근 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심기술로 각광받고 있는 양자 스핀 구조체 ‘스커미온’은 가상의 자기장에 의한 ‘위상홀효과’라는 독특한 현상을 보이는데 역으로 위상홀효과의 발견은 이와 같은 스커미온의 존재를 미리 알려주기도 한다.
기존에는 중금속인 백금이나 위상부도체처럼 큰 스핀-궤도 결합력을 가진 물질과 강자성체의 조합에서만 위상홀효과가 발견됐으나 스커미온의 위상 특성을 이용한 인공지능 소자 발전이나 위상 양자컴퓨터의 개발을 위해서는 훨씬 넓은 범위로 확장 가능한 위상홀효과 연구가 필요했다.
이번 연구팀은 이러한 연구 필요성에 따라 원자층 단위로 물질을 쌓는 분자선속증착(MBE, 원자 단위로 물질을 쌓는 초고진공 장비) 장비로 2차원 자성체에 대한 연구를 진행하던 중 위상홀효과가 나타나는 새로운 메커니즘을 발견했다.
연구과정을 보면 기판 위에 강자성체만 증착하면 기존에 알려진 자기장 대신 자기 모멘트에 비례하여 생기는 수직방향 전위차(이상홀효과)가 보이는 반면 반강자성체를 같이 증착할 경우 위상홀효과로 바뀌는 현상을 확인했다.
특히 강자성체-반강자성체 이중층은 거대 자기저항 현상이나 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 읽기헤드의 핵심 역할을 담당할 만큼 친숙한 나노구조이지만 위상홀효과가 발견된 것은 처음이다.
세종대 천승현 교수는 “이번 연구 결과가 외부 환경 변화에 관계없이 안정적으로 보존되는 양자정보소자 연구에 실마리를 제공할 수 있을 것”이라면서 “후속 연구를 통해 2차원 자성체와 위상물질 결합을 시도하여 새로운 양자현상 발견 및 위상 양자컴퓨터 등으로의 활용 가능성을 기대한다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행됐고 나노분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 5월 27일 온라인 게재됐다.