KAIST "자석 미세 진동 간파, 저전력·초고속 정보 처리"

자성 물질 내 '스핀파' 새로운 모드 전환 현상 첫 규명

복잡한 회로 없이 자기장·전력으로 5㎓이상 주파수 빠르게 제어

[대전=뉴시스] KAIST 물리학과 김갑진 교수팀이 자석의 미세 진동인 '스핀파'를 활용해 복잡한 회로 없이 주파수를 5㎓ 이상 순간 이동시키는 '모드 변환' 현상을 규명했다. 사진은 연구 개요도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 장시간 스마트폰 사용 시 기기가 뜨거워지는 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 저전력·초고속 정보처리 기술이 국내 연구진에 의해 제시됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 물리학과 김갑진 교수팀이 자석의 미세한 진동(스핀파)으로 신호를 처리해 발열과 전력 소모를 크게 줄이면서도 주파수를 ㎓범위에서 순간적으로 바꿀 수 있는 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

이 원리는 향후 발열이 적고 배터리가 오래가는 스마트기기와 초저전력·고속 컴퓨팅 구현에 적용 가능하다.

김 교수팀은 이번 연구에서 머리카락보다 훨씬 얇은 자성물질을 여러 겹 쌓아 만든 인공 반강자성체(Synthetic Antiferromagnet·SAF)를 활용했다.
 
연구팀에 따르면 SAF 구조 안에서는 자석의 미세한 진동(스핀파)이 음향(Acoustic) 모드와 광학(Optic) 모드로 나타난다. 연구팀은 특정조건에서 이 움직임이 서로 갑자기 바뀌는 '모드 변환(mode hopping)' 현상이 생기며 이때 주파수가 급격히 변하는 현상을 최초로 확인했다.

이를 통해 복잡한 회로 없이 스핀파의 상태 변화만으로 신호의 주파수를 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이 모드 변환을 통해 주파수를 5㎓ 이상 급격하게 변화시킬 수 있다.

이어 연구팀은 아주 작은 안테나로 전자기파 신호를 보내 자석 속에 미세한 진동(스핀파)을 만들어 내고 외부 전력과 자기장의 세기를 조절하면 진동의 속도(주파수)가 갑자기 '툭' 하고 바뀌는 현상을 확인했다.

이런 빠른 주파수 변화는 복잡한 전자회로 없이도 가능해 신호세기만 조절해도 주파수를 자유롭게 바꿀 수 있어 장치 구조를 단순화하고 전력소모도 크게 줄일 수 있다.

특히 이 현상은 새로운 방식의 반도체나 인간의 뇌처럼 작동하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술은 물론 초저전력 컴퓨팅과 차세대 반도체 기술인 스핀트로닉스 소자 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

스핀파를 이용한 저전력·고속 정보처리 실현 가능성을 보여준 이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 12일 게재됐다.

김갑진 교수는 "이번 연구는 자석의 진동을 이용한 정보처리 원리를 실제 나노 소자에서 구현하고 제어할 수 있음을 입증한 사례"라며 "전자 대신 스핀파를 활용하는 새로운 정보처리 패러다임의 발전에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.


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