KAIST "물리 조건 없는 '소용돌이 스핀' 형성 가능"

국내 연구진이 "특수한 물리 조건 없이 자석의 기본적 물리 작용만으로도 '스커미온(Skyrmion)'이 형성된다"는 새로운 이론을 제시했다.

스커미온은 자석 안에 전자 스핀이 소용돌이처럼 배열된 구조체다. 스커미온을 자유자재로 만들어 조작할 수 있게 된다면, 차세대 초전력 정보소자를 개발할 수 있다는 점에서 관련 연구도 활발하다. 새로운 이론은 차세대 정보소자 개발의 가능성을 엿볼 수 있게 한다는 점에서 의미를 갖는다.

격자와 스핀의 상호작용으로 생긴 비대칭적인 스핀 배열 이미지. KAIST(AI 생성)

KAIST는 물리학과 김세권 교수 연구팀이 자성(자기)과 격자(탄성)의 결합만으로 소용돌이형 자성 구조가 만들어질 수 있다는 내용의 새로운 이론을 제시했다고 19일 밝혔다.

자석 안에 스핀(전자가 갖는 작은 자석 성질)과 격자 변형(원자 배열이 미세하게 뒤틀리는 현상)이 서로 영향을 받는 작용만으로도 소용돌이 모양의 자성 구조가 자연적으로 형성될 수 있다는 것이 이론의 골자다.

자성 물질 내부에서 나타나는 스커미온은 크기가 매우 작고 안정성이 높아 초고밀도·저전력 정보소자로 활용될 가능성이 높다. 다만 이러한 스커미온 구조를 형성하기 위해선 결정 구조의 비대칭성 또는 강한 스핀-궤도 결합 등 특정한 물리적 조건이 필요하다는 게 그간의 통설이었다.

이와 달리 연구팀은 대부분의 자성 물질에 자연스럽게 나타나는 '자기-탄성 결합'만으로도 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 구조가 스스로 만들어질 수 있다는 것을 이론적으로 규명했다.

자기-탄성 결합은 자성(스핀)과 원자 배열의 변형이 서로 영향을 주고받는 현상으로 거의 모든 자성체에서 나타나는 기본적 물리적 성질이다.

(왼쪽부터) 김세권 교수, 고경춘 박사. KAIST

연구팀은 이러한 결합이 충분히 강해지면 일정한 방향으로 정렬돼 있던 자성의 기본 상태(바닥 상태)가 스스로 불안정해져 새로운 소용돌이형 질서로 전환될 수 있음을 확인했다.

특히 이 과정에서 스핀의 기울어짐과 격자 왜곡이 동시에 발생해 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 '카이랄 스핀 구조'가 형성된다는 새로운 메커니즘도 제시했다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 특수한 상호작용 없이도 스커미온 같은 자성 구조가 형성될 수 있음을 확인했다"며 "무엇보다 2차원 자성 물질(원자 두께 수준의 매우 얇은 자성 물질)에서도 이러한 구조를 구현할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 이번 연구에 의미 부여가 가능하다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 고경춘 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 11일 물리학 분야 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr