열 이용해 스핀전류 발생…1조분의 1초 시간영역에서 제어
[아시아경제 정종오 기자] 전기가 아닌 열로 작동하는 초고속 메모리가 개발됐다. 정보 저장 능력이 뛰어나고 정보 저장과 처리가 동시에 가능한 스핀메모리 소자가 차세대 메모리로 각광받고 있다. 스핀 메모리가 작동하기 위해서는 스핀 전류가 필요하다. 이번에 개발된 제품은 전기가 아닌 초고속 레이저를 이용한 열로 스핀 전류를 발생시키는 기술이다. 기존 전기를 이용한 방법보다 효율적이고 속도 한계를 밝힐 수 있어 초고속 메모리 소자 개발에 한층 가까워졌다.
전자는 일종의 아주 작은 자석으로 전자가 스스로 회전하는 운동을 스핀이라고 한다. 전자의 스핀을 이용해 수 나노미터 크기의 나노자석에 정보를 저장하는 것이 차세대 메모리로 불리는 스핀트로닉스 메모리 기술이다. 스핀이 한 방향으로 정렬돼 흐르면 스핀전류가 발생하고 이를 이용해 나노 자석에 정보를 기록하면 나노소자 메모리로 작동이 가능하다. 기존 연구는 이런 스핀 전류를 만들기 위해 전기를 이용했다. 이 방법으로는 메모리소자의 최대 동작 속도를 파악할 수 없었다. 메모리소자의 정보처리 능력을 연구하기가 쉽지 않았다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전기 대신 열이라는 독창적 방법을 고안했다. 피코 초(1피코초= 1조분의 1초)의 아주 짧은 시간 동안 작동하는 초고속 레이저를 이용해 메모리소자에 열을 가했다. 그 결과 온도 차이가 발생했다. 연구팀은 이렇게 나노 자석 내에 만들어낸 온도 차이가 어떻게 스핀 전류를 발생시키는지 물리적 원리를 규명하고 이를 이용해 기존 전기적 방법보다 매우 효율적 방법으로 스핀 전류를 발생시킬 수 있었다. 열을 이용한 스핀 전류 발생법의 경우 전자 하나당 발생 가능한 스핀 전류량이 전자적 방법보다 월등히 크기 때문이다.
여기에서 한 걸음 더 나아가 초고속 레이저의 열로 발생시킨 스핀 전류를 이용해 메모리 속 나노 자석의 N극·S극의 방향을 회전시킬 수 있었다. 자석의 극 방향 전환은 메모리 정보 제어를 위해 필요한 것으로 과거 전기적 방법을 활용해 방향을 제어한 속도가 1나노초였던데 비해 1피코초의 속도로 극 방향 전환이 이뤄져 약 1000배 정도 속도가 향상된 것이다. 이는 열을 이용한 방법이 전기적 방법보다 메모리 성능 측면에서도 우위에 있다는 점을 보여준다.
이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구센터의 최경민 연구원이 주저자로 참여하고 KIST 민병철 박사, 고려대 이경진 교수, 일리노이주립대 David G. Cahill 교수 등 국제 공동 연구팀이 수행했다. 학술지인 Nature Communications 7월10일자에 '열에 의한 초고속 탈자화로 발생시킨 스핀 전류(논문명 : Spin current generated by thermally driven ultrafast demagnetization)'라는 제목으로 실렸다.
정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr
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