기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단과 강상관계 물질 연구단 등 공동 연구진은 자성을 띠는 반도체 물질에서 초거대 각자기저항 현상을 세계 최초로 발견했다.

자기장에 의해 저항의 변화 정도가 큰 물질을 초거대 자기저항물질이라 하는데, 스핀 각도에 따라 저항의 변화가 최대 10억배까지 관측되어 연구진은 이를 초거대 ‘각’자기저항으로 명명하였다.

▲ [그림1] 초거대 각자기저항 현상

전자는 전하와 스핀으로 구성된다. 기존 반도체는 전하만을 이용해 전기장으로 전류의 흐름을 스위치처럼(On·Off) 제어한다. 이번에 발견한 자성반도체는 스피커 볼륨을 조절하듯 자기장으로 스핀의 각도를 민감하게 제어해 전류의 흐름을 켜거나 끌 수 있다. 즉 스핀 방향에 따라 전류를 흐르게 하거나 안 흐르게 할 수 있는 자성반도체이다. 이를 이용하면 전하와 스핀을 동시에 제어 가능한 초고속·초전력 대용량 스핀 메모리 소자 구현을 앞당길 수 있다.

연구진은 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. 이런 부도체-금속 상태 변화가 전기장이나 자기장의 크기가 아니라 스핀의 방향에 의해 유도되는 경우로 세계 최초의 발견이다.

▲ [그림 2] 위상 자성체 Mn₃Si₂Te₆의 결정 구조 및 사진

나아가 Mn₃Si₂Te₆ 자성체는 외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 위상학적 전자상태는 외부 잡음이나 불순물에 강한 특성이 있다. 이런 특성을 가진 Mn₃Si₂Te₆이 정보를 안정적으로 저장하고 전하의 움직임이 스핀 방향에 따라 조절할 수 있음을 입증했다.

이번에 발견한 자성반도체는 기존의 반도체처럼 전기장으로 전류의 흐름을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 자기장(스핀 방향)으로 전류 흐름을 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서 이러한 특징을 잘 활용하면 전하와 스핀의 정보를 동시에 이용하는 새로운 정보 소자 개발로 이어질 수 있다.

김준성 연구위원은 “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)에 11월 25일 온라인 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
백서윤