KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김세권 교수 연구팀이 자석 내부에서 나타나는 ‘스커미온(skyrmion)’ 구조의 형성 원리를 규명했다고 20일 밝혔다.

스커미온은 전자 스핀이 소용돌이처럼 배열된 자성 구조로, 차세대 스핀트로닉스 기반 정보소자의 핵심 기술로 꼽힌다. 크기가 작고 안정성이 높아 초고밀도·저전력 저장소자 구현 가능성이 높지만, 기존에는 특정 결정 구조나 강한 스핀-궤도 결합 등 제한적인 조건에서만 형성되는 것으로 알려져 있었다.

연구팀은 이러한 통설을 넘어, 대부분의 자성 물질에서 자연스럽게 나타나는 ‘자기-탄성 결합(magnetoelastic coupling)’만으로도 스커미온과 반스커미온이 형성될 수 있다는 이론을 제시했다.

자기-탄성 결합은 전자의 스핀과 원자 배열의 변형이 서로 영향을 주고받는 기본적인 물리 작용이다. 연구팀은 이 결합이 일정 수준 이상 강해지면 기존의 균일한 자성 상태가 불안정해지면서, 스핀의 기울어짐과 격자 왜곡이 동시에 발생해 소용돌이형 자성 구조로 전환된다는 점을 확인했다.

특히 스커미온과 반스커미온이 번갈아 배열된 ‘카이랄 스핀 구조’가 자연적으로 형성되는 새로운 메커니즘을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

이번 성과는 최근 연구가 활발한 2차원 자성 물질에서도 적용 가능성을 제시해, 차세대 저전력 스핀 기반 정보소자 개발로 이어질 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가된다.

김세권 교수는 “특수한 물리 조건 없이도 스커미온 구조가 형성될 수 있음을 보여준 연구”라며 “다양한 자성 물질에서 응용 가능성을 넓혔다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 2월 11일자로 게재됐다.