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Start Up Innovation / Science
전자스핀의 새로운 구조에 대한 연구 활성화
스커미온, 디바이스 구동으로의 응용 기대

최근 약 10년 전에 존재가 확인된 ‘스커미온(Skyrmions)’이라고 하는 나노 사이즈의 색다른 자기(磁氣) 입자에 대한 관심이 높아지고 있다. 물성과학의 새로운 발견이란 기대와 함께 초고성능 디바이스 개발로 이어질 가능성이 있기 때문이다. 독일 등 구미(歐美)와 이화학연구소 등이 잇따라 연구 성과를 올리고 있다.

1월 중순, 미국 워싱턴에서는 5일 간에 걸쳐 자성재료∙자성공학국제학회가 열렸다. 이곳에 강연자로 초대된 스커미온의 연구자, 이화학연구소의 우(于) 팀 리더는 “연일 스커미온에 대한 발표가 이어져 연구가 세계적으로 활성화되고 있다는 것을 느낄 수 있었다”라고 말한다.

-- 이화학연구소 등 관측 --
스커미온은 전자 자석으로서의 성질(전자스핀)에 주목했을 때 그 모습을 드러낸다. 금속 등 자성체 내부에서 스핀이 그 방향을 조금씩 바꾸면서 소용돌이 형태로 모여 크기가 수 나노미터(nm)~수백 나노미터의 입자를 형성한다.

스커미온(Skyrmion)은 영국의 입자물리학자인 토니 스컴(Tony Skyrme) 교수가 1960년대에 핵물리학의 이론 모델로서 고안했다. 2009년에 독일의 연구팀이 스커미온의 간접적인 관측에 성공. 2010년에는 이화학연구소의 우 팀리더와 도쿠라(十倉) 신약개발물성과학연구센터장 연구팀이 각각 직접 관측에 성공. 연구에 붐이 일어나기 시작했다.

스커미온이 주목 받고 있는 이유에 대해 이 분야에서 1인자인 도쿠라 센터장은 “스커미온 연구는 물질을 토폴로지(Topology, 위상기하학)의 관점에서 탐구하는 최신 어프로치의 전형적 사례이다”라고 설명한다.

토폴로지는 물체 등을 연속적으로 변형해도 변하지 않는 성질에 착안한다. 잘 알려진 예로는 커피잔과 도넛을 토폴로지적으로 동일하다고 보는 것이다. 두 개 모두 구멍 하나가 뚫린 형태이기 때문이다.

전자스핀이 모인 스커미온의 경우, 원의 가장자리 부분에는 스핀이 위를 향해있지만, 중심으로 갈수록 기울어져 중심부에는 아래를 향해 있다. 이 스핀들을 하나하나 겹쳐보면 중심부에서 화살모양이 사방으로 뻗어있어 구면(球面)을 감싸는듯한 구조가 된다.

-- 저전류로 이동 --
토폴로지의 논리를 이용해 이처럼 스핀이 구면을 몇 번 감싸는가에 따라 입자를 구별할 수 있다. 스커미온은 일단 만들어지면 온도 등 외부 환경의 변화에도 간단히 파괴되지 않는다. “스커미온은 토폴로지로 보호되고 있다고 생각해도 좋다”(도쿠라 센터장).

입자의 안정성과 나노라는 작은 사이즈뿐만 아니라 스커미온은 소량의 전류로 결정 내부를 이동할 수 있어 기억 소자와 트랜지스터 등 새로운 타입의 디바이스로 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이와 동일하게 전자스핀을 응용한 차세대 비휘발성 메모리 후보로는 MRAM(Magnetic Random Access Memory, 자기메모리)이 있다. MRAM은 스핀을 가진 전자로 자구(Magnetic domain)의 경계인 자벽을 움직인다. 여기에 스커미온을 이용할 경우 10만분의 1 정도의 저전력으로 구동할 수 있는 것이 실험을 통해 증명되고 있다. 스커미온 자체가 토폴로지로서의 성질을 보유하고 있기 때문이다.

또한 레이스트랙(Racetrack)메모리라고 하는 MRAM보다 간소한 구조의 비휘발성 메모리가 스커미온을 이용해 실현할 수 있다는 시뮬레이션 연구도 이화학연구소의 나가오사(永長) 부센터장 연구팀이 시행했다.

이처럼 스핀을 디바이스 구동에 응용하는 ‘스핀트로닉스(Spintronics)’로의 전개를 목표로 스커미온의 정체를 해명하는 연구가 추진되고 있다. 고에너지가속기연구기구 연구팀은 스킬미온을 방사선으로 관측하는 장치를 개발했다.

이화학연구소 연구팀은 2015년, 실온보다 높은 온도에서 스커미온을 생성하는 금속자성체를 발견. 이후에도 스커미온 발생 온도는 상승해 현재는 섭씨 100도가 넘는다.

2018년에는 스커미온의 친구라고 할 수 있는 ‘메론(Meron)’, ‘안티메론(Antimeron)’이라고 하는 자기 소용돌이(Magnetic Vortex) 구조를 관측하는데 성공했다. 일반 스커미온에서는 스핀의 방향이 원구 전체를 감싸고 있는데 반해 메론과 안티메론은 반구(半球)를 감싸고 있는 형태이다.

“메론과 같은 신규 자기 구조가 어떤 것에 응용될 수 있는지 밝혀지는 것은 이제부터이다”(우 팀리더). 이러한 기초 연구를 원동력으로 연구자들은 스커미온이라는 새로운 입자의 실상과 그 응용 연구에 매진하고 있다.

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