층마다 자화 방향 직교…울산과학대, '2차원 강자성' 물질 개발

황영훈 교수, 유럽 연구진과 공동 연구

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학대 황영훈 교수 (울산과학대 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학대학교는 황영훈 교수가 '자성 그래핀'이라고 불리는 CrTe₂ 기반 2차원 반데르발스 물질에서 이전에 알려지지 않은 새로운 형태의 강자성 물질을 개발했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 이탈리아 CNR-SPIN 연구소, 프랑스 국립과학연구원(CNRS), 덴마크 공과대학의 국제 공동 연구진과 협력해 진행했다.

이번 연구에서 각 원자층의 자화 방향이 서로 수직을 이루는 이층 구조의 강자성 위상이 처음으로 관찰됐다. 물질의 이층 구조에서는 단일 원자층마다 자화의 정렬 방향이 서로 직각을 이룬다. 즉 한 층의 자화는 물질 면 안에 놓이고, 인접한 다음 층의 자화는 수직 방향을 향하는 식이다.

이번 연구는 이전에 알려진 자성체와 달리 서로 마주 보는 두 층의 자화가 상호 교차하는 단일 위상으로, 여러 층을 적층해 인위적으로 교차 자성을 만들지 않아도 자체적으로 구현된다.

전통적인 2차원 강자성체에서는 자화 방향이 일정하거나 점진적으로 변화하는 반면, 이번 연구에서는 층마다 자화 방향이 90도 간격으로 변하는 이례적 구조가 확인된 것이다.

이 같은 발견은 2차원 자성 물리학의 기존 대칭성 규칙을 깨는 결과로 주목된다. 층마다 자화 방향이 직교하기 때문에 다양한 각도와 방향으로 스핀을 제어할 수 있는 길이 열렸다. 특히, 이러한 다축 스핀 구조는 앞으로 메모리나 논리 소자 등 다방향 스핀트로닉스(spintronics) 장치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학대 황영훈 교수는 "기존에는 스핀을 한 방향으로만 제어할 수 있어 한정적인 역할만 가능했으나 이번 연구로 2차원 자성체 분야에서 전례 없는 새로운 자성 위상이 확인됐다"며 "각 층의 자화 방향을 수직으로 제어할 수 있게 되면서 기존에 불가능했던 다축 스핀 제어가 가능해졌고, 더 많은 정보를 한 번에 처리하거나 더 빠르고 에너지 효율적인 차세대 메모리와 컴퓨터 칩을 만들 수 있는 길이 열리게 됐다"라고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 창의도전연구기반지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)에 지난 14일 온라인 게재됐다.


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