기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원) 연구팀이 강유전체¹⁾와 강자성체²⁾를 차례로 쌓아올린 하이브리드 물질에서 스핀이 소용돌이치는 '스커미온(Skyrmion)' 입자를 발견했다.(보충설명 참조) 금속이 아닌 강유전체를 이용한 스커미온 구현은 이번이 처음이다. 또 전기를 이용해 스커미온의 밀도를 실시간으로 제어하는 데 성공하며 차세대 자성 메모리 소자의 새로운 응용 가능성을 제시했다.

스커미온은 자성체 내부에서 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체를 말한다. 전자스핀이 나선형으로 배열된 형태로, 스커미온의 생성과 소멸에 따라 데이터를 저장하는 기본 구조인 '1'과 '0'을 만들어낼 수 있다. 쉽게 소멸되지 않아 안정적일뿐더러 기존 자성 정보소자보다 약 100만 배 적은 전력으로 작동하고, 크기도 수 나노미터(nm) 수준으로 작아 차세대 고정밀‧저전력‧초소형 전자소자³⁾의 기본 단위로 각광받고 있다.

스커미온을 실질적인 정보소자로 활용하기 위해서는 두 가지 한계를 극복해야 한다. 먼저 크기 100nm 이하의 초소형 스커미온을 구현하여 단위 면적에 많은 스커미온 입자들을 배치해 저장용량을 높여야 한다. 또 스커미온의 특성을 실시간으로 제어할 수 있어야 한다. 지금까지 스커미온이 존재하는 자성체들이 여럿 발견됐지만, 두 가지 조건을 동시에 만족하는 물질은 드물었다.

연구진은 금속성과 강유전성을 모두 나타내는 새로운 이종접합 구조 물질을 합성하는 과정에서 우연히 스커미온의 존재를 확인했다. 강유전체인 티탄산바룸(BaTiO₃)과 자성체인 스트론튬루테네이트(SrRuO₃) 박막을 차례로 쌓아올린 이종접합 구조를 제작한 뒤, 자기장에 따른 저항을 측정했다. 이 과정에서 스커미온을 가진 물질에서 흔히 나타나는 '비정상 홀 효과(Anomalous Hall effect)'를 발견했다. 비정상 홀 효과는 외부의 자기장이 없어도 자체 스핀에 따라 전자가 가해진 전기장에 수직한 방향으로 휘어져 움직이는 현상을 말한다.

이후 스커미온의 크기를 직접 측정하기 위해 중국 고자기장연구소와 공동연구를 수행했다. 자기력현미경(MFM)을 이용한 측정 결과, 스커미온이 각각 100nm 이하의 크기를 가지는 초소형임을 확인했다. 스커미온의 크기가 작을수록 한정된 면적에 많은 입자들을 배치할 수 있어 전자소자의 성능을 높이는 데 유리하다.

한편, 강유전체의 특성을 이용해 인접한 자성체의 스커미온 특성을 실시간으로 제어할 수 있음도 증명됐다. 강유전체는 전기를 이용해 분극 방향을 변화시킬 수 있다. 이종접합 구조에서는 강유전체의 분극이 자성체의 격자구조에 영향을 주고, 최종적으로 스커미온의 밀도를 제어할 수 있다. 가령 분극의 방향이 위를 향하면 자성체에 유도되는 스커미온의 밀도가 높아지고, 아래를 향하면 스커미온의 밀도가 낮아진다.

이번 연구는 세계 최초로 강유전체의 특성을 활용해 스커미온을 제어한 것으로, 전기를 걸어 손쉽게 스커미온을 제어할 수 있는 방법을 제시했다. 이는 스커미온이 형성되기 위한 기존에 알려지지 않은 새로운 메커니즘을 증명한 것이다. 연구진은 이러한 기술이 향후 스핀트로닉스 소자 등 스커미온을 이용한 정보 소자를 만드는 연구에 활용될 것으로 기대하고 있다.

노태원 단장은 "이번 발견은 응집물질 물리학의 주요 연구 주제인 '스커미온'과 '강유전성'을 융합해보자는 시도에서 시작됐다"며 "국내외 연구자들이 협력을 통해 이룬 성과로, 앞으로도 개방적 연구를 통해 전 세계 과학계가 주목할 만한 우수한 연구 성과들을 배출하리라고 기대한다"고 말했다.

연구결과는 물질 분야 세계적 과학저널인 네이처 머티리얼스(Nature Materials, IF 39.235) 온라인 판에 11월 6일 새벽 1시(한국시간) 게재됐다.

보충설명

스커미온(Skyrmion)은 영국의 입자물리학자인 토니 스컴(Tony Skyrme) 교수가 원자의 구조를 수학적으로 설명하기 위해 처음 제시한 모형이다. 스커미온은 그 개념이 처음 제시된 지 50여 년이 지나서야 응집물질 물리학계를 중심으로 주목받기 시작했다.

▲ [그림1] 스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온 (위)과 그 단면의 모습 (아래)

2006년 스커미온이 자성체⁴⁾에 존재할 수 있음이 이론적으로 제안됐다. 자성 스커미온은 자성체 내 전자의 스핀들이 소용돌이 모양처럼 정렬된 것으로, 한번 형성되면 위상학적 안정성으로 인하여 쉽게 소멸되지 않는다. 2009년 물리학자들이 망간게르마늄(MnGe)에서 자성 스커미온을 실제로 처음 관찰했고, 그 이후 자성 스커미온을 정보 소자의 재료로 활용하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

고체는 원자들이 규칙적으로 배열된 격자 구조로 돼 있다. 각각의 격자구조는 다양한 대칭성을 가지는데, 이러한 대칭성 중에 하나가 공간 반전 대칭이다.

이번 연구에서 노태원 단장(교신저자)과 왕 링페이 연구원(제1저자)가 이끄는 연구팀은 강유전체와 강자성체가 접한 이종접합 구조를 만들었다. 강유전체는 공간 반전 대칭이 깨진 대표적인 물질이다. 강유전체/강자성체 이종접합 구조를 활용해 근접효과⁵⁾를 통해 강자성체 내부에 반전 대칭이 깨진 공간을 만들어 스커미온을 생성했다. 또한 전기장으로 강유전체의 분극 방향을 실시간으로 조정함으로써, 스커미온의 밀도 등의 물리적 특성을 제어할 수 있다는 새로운 사실을 발견했다.

그림설명

▲ [그림2] 연구진이 제작한 강유전체/강자성체 이종접합 구조 물질연구진은 강유전체인 티탄산바륨(BaTiO₃)과 강자성체인 스트론튬루테네이트(SrRuO₃)을 차례로 쌓아올린 이종접합 구조에서 스커미온의 존재를 확인했다.

▲ [그림3] 이종접합 구조물의 자기력현미경 이미지스커미온의 존재를 실증하기 위해 진행된 자기력현미경(MFM‧Magnetic Force Microscopy) 관찰 결과, 가로와 세로가 각각 4마이크로미터(㎛)인 공간 속에 매우 많은 스커미온(파란색)이 존재함을 확인할 수 있었다.

▲ [그림4] 스커미온 제어 원리와 응용 사례연구진은 기판(SrTiO₃) 위에 강유전체와 자성체를 차례로 쌓아올려 이종접합 구조를 만들고, 실시간으로 스커미온을 제어하는 데 성공했다. 그림 (a)는 강유전체(BaTiO₃)의 분극 방향에 따라 자성체(SrRuO₃)의 스커미온 밀도가 제어되는 것을 묘사한 것이다. 강유전체에 표시된 흰색 화살표는 분극의 방향을 의미한다. 강유전체의 분극은 자성체의 격자 구조에 영향을 미치는데, 분극이 위 방향이면 자성체에 유도되는 스커미온의 밀도가 높아지고, 아래 방향이면 스커미온의 밀도가 낮아진다.
그림(b)는 스커미온을 이용한 정보소자 사례인 '스커미온 레이스트랙 메모리'를 묘사한 것이다. 레이스트랙을 구성하는 자성체에 흐르는 작은 전류로 인해, 스커미온은 계속 움직이게 된다. 스커미온의 패턴이 전류를 따라 이동하며, 스커미온의 유무에 따라 1과 0으로 대응되는 이진수 형태의 정보를 읽어낼 수 있다.