[이한영 기자] 스마트폰 발열을 줄이고 데이터 처리 속도를 높일 차세대 메모리 기술의 실마리가 국내 연구진에 의해 제시됐다. 전자의 회전 성질인 '스핀' 대신 전자가 원자핵 주변을 도는 궤도 운동 '오비탈'을 활용해 자성을 제어하는 새로운 이론이 등장하면서다.

KAIST는 물리학과 이경진 교수 연구팀이 연세대학교 김경환 교수 연구팀과 공동으로 전자의 '오비탈 교환상호작용'을 이용해 자성을 제어할 수 있는 이론을 세계 최초로 정립했다고 밝혔다. 이번 연구에는 KAIST 이근희 박사가 1저자로 참여했다.

현재까지 차세대 메모리 연구는 전자의 스핀 성질에 집중돼 왔다. 스핀은 전자가 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다. 하지만 전자는 동시에 원자핵 주위를 도는 궤도 운동을 하며 오비탈이라는 에너지 상태를 형성한다.

연구팀, 좌측부터 KAIST 이근희 박사,김경진 교수,연세대 김경환 교수

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연구팀은 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 상호작용하며 자성을 조절할 수 있다는 원리를 이론적으로 규명했다. 이를 통해 기존 스핀 기반 방식보다 더 강력하게 자성 특성을 제어할 가능성을 확인했다.

특히 전류가 자석의 방향 변화에 그치지 않고 자석이 특정 방향을 선호하는 성질 등 물질의 고유한 특성까지 조절할 수 있다는 점을 밝혀냈다. 이는 향후 반도체 기술에서 오비탈 기반 전자소자 개발 가능성을 보여주는 결과로 평가된다.

연구진은 최근 주목받는 교자성 물질에도 이 원리가 적용될 수 있다고 설명했다. 교자성은 겉으로 자석 성질이 나타나지 않으면서도 전자 움직임에 큰 영향을 주는 특성을 지닌 물질로 차세대 메모리와 논리 소자 연구에서 관심을 받고 있다.

이근희 박사는 "자성 제어가 반드시 스핀에만 의존할 필요는 없다는 점을 보여준 연구"라며 "오비탈을 활용한 접근이 초고속 저전력 메모리 개발의 새로운 방향이 될 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2월 2일 게재됐다. 연구는 한국연구재단 한계도전 R&D 프로젝트와 중견연구자지원사업, 선도연구센터(SRC), 신진연구자지원사업과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다. /대전=이한영기자

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