KAIST, 준강자성체를 이용한 차세대 반도체 기술 ‘스핀트로닉스’ 발전 로드맵 제시

KAIST 물리학과 이경진 교수, 김세권 교수 연구팀이 차세대 반도체 기술(스핀트로닉스) 최신 연구 동향 및 미래 발전 전략을 정리한 ‘준강자성체 기반 스핀트로닉스’ 리뷰 논문이 물리 및 재료 분야의 세계적인 학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 2022년 1월호 표지논문으로 게재했다.

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구분야로 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되고 있다.

스핀트로닉스 장치의 핵심 구성 요소는 자성체이기 때문에, 스핀 기반의 초고속 초고집적 정보처리를 구현하기 위해서는 최적의 자성 물질을 규명하는 것이 필수적이다.

지난 수십 년간 스핀트로닉스에서 주로 사용돼왔던 강자성체는 스핀 동역학 속도가 기존 정보 처리 기술의 수준과 유사한 기가헤르츠(GHz) 수준에 머물러 정보 처리 속도 향상에 어려움을 겪고 있었다. 또한 강자성체가 생성하는 강력한 주위 자기장으로 인해 강자성체 기반 장치들이 서로 강하게 간섭해, 스핀 장치의 집적률을 증가시키는 데도 어려움이 있었다.

KAIST 이경진 교수와 김세권 교수는 지난 수년간 연구를 통해 새로운 자성체인 준강자성체를 이용하면 강자성체가 갖는 문제점들을 해결해 초고속, 초고집적 스핀 기반 정보 처리 장치를 개발할 수 있음을 밝혀왔고, 이번에 리뷰 논문을 발표했다.

지난 2017년 연구팀은 준강자성체의 스핀 동역학 속도가 기존 정보 처리 기술보다 약 천배 빠른 테라헤르츠(THz) 수준이라는 점을 주목하고, 이를 이용해 스핀 메모리로 활용되는 자구벽을 강자성체보다 월등히 빠른 속도로 구동할 수 있음을 보여 네이처 머터리얼스에 논문을 게재한 바 있다.

또 지난 2018년 이경진 교수는 반강자성체를 이용하면 스핀 양자 정보의 장거리 전송이 가능함을 밝혔다. 수년간에 걸친 꾸준한 연구로 준강자성체 기반의 초고속 초고집적 스핀트로닉스에 대한 관심이 높아져 현재는 세계적으로 관련 연구가 활발히 진행중이다.

최신 연구 동향 정리와 더불어 연구팀은 준강자성체 기반 스핀트로닉스의 미래 발전 방향도 제시했다. 준강자성체 기반의 초고속 자기광학 장치 개발, 준강자성체가 갖는 독특한 스핀파 성질을 이용한 파동/양자 정보처리 장치 개발, 그리고 준강자성체를 이용한 뇌 모사 컴퓨팅 개발 등이 기대된다.

또한 새로 개발된 준강자성체는 기존의 자성체와 근본적으로 다른 흥미로운 물리현상을 보일 것으로 기대돼 준강자성체 기반의 근본 자성 연구에 대한 발전 방향도 제시했다.

KAIST 이경진 교수는 “이번 리뷰논문은 그동안 강자성체에만 집중돼왔던 스핀트로닉스 연구를 준강자성체로 확장시키는 데 중요한 이정표가 될 것ˮ이라고 기대감을 내비쳤다.

이번 연구는 KAIST 이경진 교수, 김세권 교수, 그리고 미국 MIT Geoffrey Beach 교수, 일본 교토대학 Teruo Ono 교수, 네덜란드 Radboud 대학 Theo Rasing, 싱가포르국립대 양현수 교수의 공동 연구로 진행됐으며, 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

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