[지금은 과학] 세계 최초 차세대 자성 반도체 물질 발견

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 차세대 자성 반도체 물질을 발견했다. 외부 잡음에 강하고 정보 손실 없는 스핀 정보 소자 구현에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

스핀 정보 소자 기술(스핀트로닉스)은 에너지 효율이 높고 정보 연산과 저장이 동시에 가능해 기존 반도체 기술의 한계를 보완·대체할 기술로 꼽히고 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅), 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)은 "자성을 띠는 반도체 물질에서 초거대 각자기저항 현상을 발견했다"는 내용의 연구결과를 25일 1시 국제학술지 네이처紙에 발표했다.

'초거대 각자기저항 현상'이란 준강자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)에서 자기저항이 스핀의 각도에 따라 최대 10억 배까지 변하는 현상을 발견해 연구진이 붙인 이름이다. 자성 반도체의 스핀 방향을 외부자기장으로 조절하면 전류를 흐르거나 흐르지 못하게 만들 수 있다는 뜻이다.

초거대 각자기저항 현상이라는 새로운 물성이 발현되는 물질(이번 연구에서 발견한 자성 위상 반도체)을 이용하면 일반적인 반도체에서 전기장으로 전류의 흐름을 조절하는 것처럼, 스핀의 방향을 이용해 전류의 흐름을 조절할 수 있다는 것을 이번 연구에서 처음으로 발견한 것이다.

위상 자성체는 자성과 위상학적 전자상태(고체 물질의 전자구조가 뫼비우스의 띠처럼 꼬여진 구조를 가질 때 나타나는 전자상태)를 동시에 갖는 물질이다. 보통의 위상물질은 한 번 합성된 후에는 전자상태의 특성이 잘 바뀌지 않는 위상학적 안정성을 가지지만, 위상 자성체의 경우는 위상학적인 안정성을 가지면서도 자성상태에 따라 전자 상태의 특성이 변할 수 있다. 이 때문에 위상학적 스핀 정보 소자라는 새로운 응용이 가능해진다.

연구진은 2018년 위상학적 전자상태와 강자성을 동시에 가지는 위상 강자성 금속을 발견해 네이처 머티리얼스지에 발표한 바 있다. 이번 연구에서는 반대로 반도체 특성을 갖는 위상자성체를 찾는 데 집중했다. 그 결과 자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 스핀 방향을 외부 자기장을 이용해 회전시키면 초거대 각자기 저항 현상이 나타나 부도체 상태와 금속상태로 쉽게 전환할 수 있는 자성 위상 반도체의 특성이 나타나다는 것을 발견했다.

연구팀은 이번 연구가 "자기장의 크기가 일정한 경우 스핀 각도에 따라 자기저항의 크기가 10억배까지 변화할 수 있는 자성 반도체 물질을 세계 최초로 발견했다는 점에서 의미가 크다"고 설명하고 "이러한 성과는 반도체 특성과 위상 자성체 특성을 결합하는 계기가 될 뿐만 아니라 외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자 연구로 이어질 것"으로 기대했다.

위상 자성체는 외부 잡음이나 불순물에 강한 고유의 특성이 있다. 연구팀이 발견한 위상 자성 반도체 물질은 기존의 반도체처럼 전기장으로 전류의 흐름을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 자기장 또는 스핀 방향으로 전류 흐름을 효과적으로 조절할 수 있다. 이런 특징을 잘 활용하면 전하와 스핀의 정보를 동시에 이용하는 초고속·초저전력 대용량 스핀 메모리 소자 구현을 앞당길 수 있다.

위상 자성물질 연구는 국제적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 분야다. 이번 연구에는 IBS의 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 학연연구위원(포스텍 물리학과 교수)과 강상관계 물질 연구단 양범정 연구위원(서울대 물리천문학부 교수), 한국원자력연구원 김규 박사, 연세대 물리학과 김재훈 교수 등 많은 연구원이 참여했다.

김준성 교수는 “2018년 위상학적 전자상태를 갖는 자성 금속을 발견한 데 이어 같은 원리를 자성 반도체에 적용해 얻어낸 성과”라며 “국내 공동 연구진이 자성 위상물질 분야에서 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례”라고 자랑했다.

◇논문명: Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors/Nature

◇저자 :(제1저자) 서준호, Chandan De, 하현수, 이지은 (교신저자) 김재훈, 양범정, 김규, 김준성 (참여저자) 박선규, 박준범, Yurii Skourski, 최은상, 김봉재, 조길영, 염한웅, 정상욱