경북대, 반도체 발열·전력 소모 줄일 차세대 양자물질 제어 원리 규명

경북대 조연정·서울대 박제근 교수팀 공동 연구 성과
전자 네마틱 상 비휘발성 제어 성공
차세대 메모리·양자정보 소자 개발 기대

경북대 물리학과 조연정 교수.

경북대 최준영 박사.

서울대 박제근 교수

서울대 박평제 박사

서울대 조웅희 박사과정생.

경북대학교 연구팀이 기존 실리콘 반도체의 한계로 꼽히는 발열과 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 차세대 양자 자성 물질의 제어 원리를 규명했다.

이번 연구는 기존 반도체보다 전력 소모와 발열을 줄이면서도 데이터를 안정적으로 저장할 수 있는 차세대 반도체 개발의 기반 기술을 제시했다는 점에서 의미 있다.

경북대는 물리학과 조연정 교수 연구팀이 서울대 박제근 교수 연구팀과 공동으로 코발트가 삽입된 전이금속 화합물인 코발트탄탈황화물(CTS)에서 물질 고유의 카이랄(Chiral) 스핀 구조가 만드는 미세한 자성이 전자 네마틱 상(Electronic Nematicity)을 제어하는 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다고 10일 밝혔다.

연구팀은 외부 자기장을 이용해 전자 네마틱 상을 원하는 방향으로 제어하고, 제어된 상태가 전원이 꺼진 뒤에도 유지되는 비휘발성 특성을 실험과 이론을 통해 확인했다.

최근 반도체 분야에서는 전자의 스핀을 활용해 전력 소모를 줄이고 정보 처리 속도를 높이는 '스핀 소자' 연구가 활발하다. 특히 외부 자기장의 영향을 거의 받지 않는 반강자성체 기반 소재는 데이터 안정성이 높아 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

이번 연구에 사용된 CTS 역시 외부에서는 자성이 거의 나타나지 않는 반강자성체지만, 내부에는 매우 미세한 자성을 가진 양자 자성 물질이다. 그동안 이 물질에서 스핀의 카이랄성과 전자 네마틱 상이 함께 존재한다는 사실은 알려졌지만, 두 현상의 관계는 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 극저온 전기저항과 자성 토크 측정 실험을 통해 내부 스핀 구조가 거울상과 겹치지 않는 카이랄 구조를 형성할 때 미세한 자성이 발생하고, 이 자성이 전자 네마틱 상의 방향을 결정하는 핵심 요인이라는 사실을 규명했다. 외부 자기장으로 미세 자성의 방향을 바꾸자 전자 네마틱 상도 함께 제어됐으며, 제어된 상태는 전원이 차단된 뒤에도 유지됐다.

조연정 교수는 "카이랄 구조와 전자 네마틱 상, 미세 자성이 하나의 양자 물질에서 어떻게 상호작용하는지를 규명했다는 점에서 의미가 있다"며 "이번 연구는 초고속·초저전력 메모리 반도체와 보안성이 중요한 양자정보 처리 소자 개발의 설계 원리를 제시할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 지난달 2일자에 게재됐다.