'전자 궤적, 변화구처럼 제어'…"자성메모리 개발에 활용"

과학기술정보통신부는 성균관대 최경민 교수 연구팀과 포항공대(포스텍) 이현우 교수 연구팀이 경금속 내부에서 전자 궤적을 변화구처럼 휘도록 제어하는 것을 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 게재됐다.

야구 경기에서 투수가 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 타자와의 승부가 수월해진다. 마찬가지로 고체 내부에서도 전자의 궤적을 자유자재로 조절하면 전자소자의 성능이 향상된다.

고체에서 흐르는 전자의 속도와 전자의 수를 제어하는 방법은 개발돼 있으나 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 매우 제한적으로 존재한다.

전류가 흐르는 고체에 자기장을 가하면 전자의 궤적이 휜다. 널리 알려진 '홀 효과'(Hall effect)다. 다만, 자기장을 생성하려면 높은 전류가 필요할 뿐만 아니라 부분적으로 제어하기도 어렵다.

수많은 소자가 집적된 전자기기에 이 방법을 적용하려면 각 소자의 동작에 맞게 서로 다른 방향의 자기장을 가해야 하는데 집적도가 높은 전자기기에서 구현하는 것은 한계가 있다.

이 때문에 나노미터(㎚·10억분의 1m) 단위의 미세한 소자 내부에 존재하는 전자의 궤적을 낮은 전력을 사용해 개별적으로 제어하는 새로운 기술이 필요하다.

기존에도 스핀 각운동량을 이용하면 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것이 '스핀 홀 효과'라는 이름으로 보고된 바 있다. 그러나 이는 원자 번호가 큰 중금속에서만 발현한다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 타이타늄(Ti) 금속에서 전자의 스핀이 아닌 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 '궤도 홀 효과'를 세계 최초로 시현했다.

그동안 이론적으로만 알려졌던 궤도 홀 효과를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 최초로 시현했다는 점에서 의미가 매우 크다.

연구팀은 "여러 변화구를 원하는 위치에 던질 수 있는 능력이 훌륭한 투수의 기준이 되는 것처럼 전자의 궤도 각운동량을 통해 전자의 궤도를 정확히 제어할 수 있는 능력은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대된다"고 설명했다.

특히 미래 전자소자로 개발 중인 자성메모리(MRAM)는 전자의 각 운동량을 이용하기 때문에 연구팀이 규명한 성질을 활용하면 에너지 효율과 속도 향상에 기여할 수 있다고 연구팀은 전망했다.