KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자성 물질 내 ‘스핀파(Spin wave)’의 새로운 모드 전환 현상을 규명하고, 주파수를 순간적으로 바꾸는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 전자 대신 자석의 미세한 진동을 활용해 신호를 처리하는 방식이다. 발열과 전력 소모를 크게 줄이면서도 수 GHz(기가헤르츠) 범위에서 주파수를 빠르게 전환할 수 있다는 점이 핵심이다.

연구팀은 나노 구조의 인공 반강자성체(SAF)에서 스핀파가 음향 모드와 광학 모드 사이를 갑자기 전환하는 ‘모드 변환’ 현상을 최초로 확인했다. 이 과정에서 신호 주파수가 연속적으로 변하는 것이 아니라 특정 순간 급격히 바뀌는 ‘점프’ 형태를 보였다.

특히 외부 전력과 자기장 세기만 조절해 5GHz 이상의 주파수 변환을 구현했다. 복잡한 회로 없이도 신호 제어가 가능해 장치 구조를 단순화하고 전력 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

이 현상은 ‘삼중 마그논 상호작용’에 의해 발생한다. 스핀파의 기본 단위인 마그논이 분리되거나 결합하는 과정에서 주파수가 급격히 변화하는 원리다.

연구진은 해당 기술이 ‘켜짐(1)’과 ‘꺼짐(0)’을 구분하는 스위치처럼 활용될 수 있어 차세대 반도체, 뉴로모픽 컴퓨팅, 양자통신 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 보고 있다.

김갑진 교수는 “자석의 진동을 이용한 정보처리 원리를 나노 소자에서 구현한 성과”라며 “스핀 기반 정보처리 패러다임 확장의 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.