울산대 김상훈 교수, 쟐로신스키-모리야 상호작용 원리 규명
한국·일본·사우디 공동연구팀
코발트·백금 접합 계면서 밝혀내
저전력·고밀도·초고속 메모리 개발에 청신호가 켜졌다. 울산대학교 물리학과 김상훈 교수가 참여한 연구에서 쟐로신스키-모리야 상호작용 원리를 규명했기 때문이다.
최근 울산대 물리학과 김상훈 교수(제 1저자 및 교신저자·사진)와 고려대 신소재공학과 이경진 교수팀, 일본 교토대 테루오 오노 교수팀을 중심으로 카이스트, 일본 동경대, 미에대, 사우디 카우스트대 그리고 3세대 세계 최대 가속기 연구소인 일본 스프링8(SPring–8) 등이 참여한 공동연구팀은 3년간 국제 연구를 통해 계면에서 발현되는 쟐로신스키-모리야 상호작용의 미세구조적 원리를 실험적으로 명확히 규명했음을 발표했다.
대표적인 기록 저장 매체인 하드디스크 드라이브는 자성물질이 도포된 디스크를 회전시켜 자기 센서로 읽는 방식이다. 비트당 생산단가가 저렴한 장점이 있으나 디스크의 물리적 회전을 이용하기 때문에 기록속도에 한계가 있고, 에너지 소모가 크다.
그래서 최근에는 디스크를 회전시키는 대신 메모리에 사용되는 도선 자체를 자성물질로 사용하고, 자구벽이나 스커미온 같은 나노미터 크기 준입자 상태의 자화에 전류를 사용해 이동시키는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
전류로 제어 가능한 준입자 생성을 위해서 사용되는 물질은 쟐로신스키-모리야 상호작용이라는 독특한 에너지를 가지고 있어야 한다.
이 에너지를 갖는 물질 시스템을 찾는 것이 중요한데, 2013년 1나노미터 이하의 아주 얇은 강자성체(금속 자성물질)를 무거운 금속인 귀금속 계열 물질과 이중층 구조를 형성할 경우 접합 계면에서 강한 에너지를 만든다는 것이 실험적으로 보고된 바 있다.
이후 다양한 금속 계면으로 강한 쟐로신스키-모리야 상호작용을 갖는 물질을 개발하는 연구가 계속 되고 있음에도, 명확한 미세구조적 원리에 대한 이해가 부족해 원소 각각에 대한 사례 연구에 머무르고 있는 현실이었다.
이번 연구에서 연구진은 코발트/백금 박막의 접합 계면에서 발생하는 쟐로신스키-모리야 상호작용이 강한 온도 의존성을 가짐을 확인했다. 자기이색성분광학 측정을 통해 원자 쌍극자 모멘트와 궤도 모멘트의 면에 수직한 방향 성분이 강한 온도 의존성을 보임을 확인했다.
각 원자에 존재하는 전자의 분포가 계면에서 수직방향을 중심으로 불균일하다는 것과 그 불균일한 정도가 저온에서 커지는 점을 밝혀냈다.
이번 연구는 저전력·고밀도·초고속의 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 메모리 소자 개발뿐만 아니라 쟐로신스키-모리야 상호작용과 관련된 신물질 연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 논문은 25일 세계적인 학술지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 ‘Correlation of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction with Heisenberg Exchange and Orbital Asphericity’ 제목으로 게재됐다.