국내 대학 공동연구팀이 전자의 궤도 운동인 ‘오비탈(orbital)’의 교환상호작용을 이용해 자성을 제어하는 새로운 이론을 제시했다. 연구진은 이를 통해 기존 스핀 기반 방식보다 효율적인 차세대 메모리 기술의 가능성을 확인했다고 밝혔다.

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 이경진 교수와 연세대학교(총장 윤동섭) 물리학과 김경환 교수 공동연구팀이 전류를 이용해 자성을 제어하는 과정에서 전자의 ‘오비탈 교환상호작용’을 활용할 수 있는 이론 체계를 세계 최초로 규명했다고 16일 밝혔다.

지금까지 차세대 메모리 연구는 전자의 회전 성질인 ‘스핀(spin)’을 중심으로 진행돼 왔다. 스핀은 전자가 팽이처럼 회전하며 만들어내는 성질로, 그 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다.

그러나 전자는 동시에 원자핵 주위를 도는 궤도 운동을 하며 ‘오비탈’이라는 에너지 상태를 형성한다. 연구팀은 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 상호작용하면서 자성을 제어할 수 있다는 원리를 이론적으로 규명했다.

연구 결과 전류는 단순히 자석의 방향을 바꾸는 것에 그치지 않고 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 물질의 고유한 자성 특성까지 조절할 수 있는 것으로 나타났다.

특히 연구팀의 계산에 따르면 오비탈을 활용한 자성 제어 효과는 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 수 있는 것으로 확인됐다. 이는 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 새로운 전자소자 개발 가능성을 보여준 결과로 평가된다.

이번 연구는 최근 학계에서 주목받고 있는 ‘교자성(altermagnet)’ 물질 연구에도 활용될 수 있다. 교자성 물질은 전자의 스핀이 서로 다른 방향으로 배열된 새로운 형태의 자성 물질로, 겉으로는 자석처럼 보이지 않지만 전자의 이동에는 큰 영향을 미치는 특성이 있다.

연구팀은 이러한 특성을 이용하면 전자의 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 고속·저전력 반도체 소자와 차세대 메모리 개발에 활용될 가능성이 있다고 설명했다.

제1저자인 KAIST 이근희 박사는 “이번 연구는 전류로 자성을 제어할 때 스핀에만 의존하지 않고 전자의 궤도 운동인 오비탈을 활용할 수 있음을 보여준 사례”라며 “차세대 초고속·저전력 메모리 기술 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 이근희 박사가 제1저자로 참여했으며 연세대 김경환 교수와 KAIST 이경진 교수가 공동 교신저자로 연구를 수행했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2월 2일 게재됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 한계도전 연구개발 사업과 중견연구자 지원사업, 선도연구센터 사업, 신진연구자 지원사업, 삼성전자 지원을 받아 수행됐다.