우리대학 응용물리학과 송경미 대학원생(박사과정)이 초고효율 차세대 통신 소자 핵심기술 개발로 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 논문을 발표했다.

송경미 학생은 한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀, 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 홍정일 교수팀과 공동으로 스커미온 스핀 구조체를 사용해 기존에 제시된 바 없는 전혀 새로운 형태의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다고 밝혔다.

(논문명) Spin-orbit torque-driven skyrmion dynamics revealed by time-resolved X-ray microscopy

이번 연구는 우리대학의 BK사업 지원, 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업, 미래유망 융합기술 파이오니어 사업, 해외대형연구시설 활용연구사업, 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 지난 5월 24일 네이처 커뮤니케이션즈 온라인 판에 게재됐다.

소용돌이 모양으로 스핀들이 배열돼 형성된 스핀 구조체인 ‘스커미온 (Skyrmion)’은 지난 2009년 발견됐다. 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로서 학계의 큰 주목을 받고 있다.

최근에는 스커미온이 외부 신호에 반응해 커졌다 작아졌다를 반복하며 새로운 고주파 신호를 발생시키는 자성 동역학 움직임인 ‘스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing)’현상을 사용할 때, 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 이론적 예측이 있어 왔다. 하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 빠른 운동 속도로 인해, 호흡운동을 실제 관측하는 연구는 현재까지 이뤄지지 못했다.

(참고그림: 외부 전류 자극에 의해 스커미온의 크기가 변하는 호흡 운동을 실제 X-선 투과 이미징을 이용하여 관측한 이미지 및 스커미온 호흡운동의 모식도)

그러나 이번 연구에서는 기존에 이론으로만 제시됐던 스커미온의 호흡운동을 세계 최초로 구현했다. 우수한 시공간 분해능(Resolving Power·현미경 등의 광학기기에서 관찰하는 대상의 세부를 상(像)으로 판별하는 능력. 분리능 또는 해상력이라고도 한다)을 가지는 X-선 촬영기법을 이용해, 외부 신호에 반응하는 스커미온의 미세 호흡운동을 1나노 초(ns, 10억분의 1초) 단위로 관측하는데 성공한 것이다. 뿐만 아니라, 연구 과정을 통해 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법도 개발했다.

이번 연구 논문에 공동 1저자로 참여한 송경미 학생은 “그동안 학계에서 주목해온 메모리 소자로의 적용을 넘어 미래 전자기기 전 분야에 스커미온이 큰 역할을 할 수 있음을 제시하는 매우 중요한 결과”라고 말했다. 우성훈 KIST 박사는 “향후 미래 고성능 전자기기들의 효율적인 통신을 위한 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것”이라고 말했으며, 홍정일 DGIST 교수는 “‘스커미온’을 활용한 새로운 접근법은 전반적인 소자의 작동 메커니즘을 새롭게 제시할 수 있어 기존의 연구 흐름에 시사하는 바가 크다”고 밝혔다.