기초과학연구원(원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅), 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)은 자성을 띠는 반도체 물질에서 초거대 각자기저항 현상을 세계 최초로 발견했다.
이번 성과는 자기장의 크기가 일정한 경우 스핀 각도에 따라 자기저항의 크기가 10억배까지 크게 변화할 수 있는 자성 반도체 물질을 세계 최초로 발견했다는 점에서 의미가 크다.
초거대 각자기저항 현상은 기존의 반도체 특성과 위상 자성체 특성을 결합하는 계기가 될 뿐만 아니라 외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스핀 정보 소자 기술(스핀트로닉스)은 에너지 효율이 높고 정보연산과 저장이 동시에 가능해 기존 반도체 기술의 한계를 보완·대체할 기술로 여겨진다.
이번 연구는 이전까지 보고된 대부분의 위상자성체가 금속 물질임을 착안해, 반대로 반도체 특성을 가지는 위상자성체 후보 물질을 찾는데 계속 집중해왔다. 그 결과 자성반도체 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(이하, Mn3Si2Te6)의 스핀방향을 외부자기장을 이용해 회전시키면 전류가 흐르지 않는 부도체상태와 전류가 흐르는 금속상태로 쉽게 조절된다는 것을 전도 및 광학 특성 측정을 통해 발견하였다. 이론적으로도 전자구조 계산과 위상분석을 통해 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 규명하였다.
위상학적인 전자상태가 존재하는 자성체에서 나타나는 고유한 특성이며, 외부 잡음이나 불순물에 강한 특성이 있다. 이러한 특성을 갖는 Mn3Si2Te6 자성체는 기존의 반도체처럼 전기장으로 전류의 흐름을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 자기장 또는 스핀 방향으로 전류 흐름을 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서 이러한 특징을 잘 활용하면 전하와 스핀의 정보를 동시에 이용하는 초고속·초전력 대용량 스핀 메모리 소자 구현을 앞당길 수 있다.
위상 자성물질 연구는 국제적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 분야로 국내 공동연구진이 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례이다. 연구진은 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 학연연구위원(POSTECH 물리학과 교수)과 강상관계 물질 연구단 양범정 연구위원(서울대 물리천문학부 교수), 한국원자력연구원 김규 박사, 연세대 물리학과 김재훈 교수 등으로 많은 연구원이 참여했다.
김준성 학연연구위원은 “2018년 위상학적 전자상태를 갖는 자성 금속을 발견한 데 이어 같은 원리를 자성 반도체에 적용해 얻어낸 성과”라며 “국내 공동 연구진이 자성 위상물질 분야에서 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례”라며 그 의미를 밝혔다.
이번 연구는 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 49.962)에 11월 25일 온라인 게재됐다.
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