[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 공동연구진이 양자정보에 활용할 수 있는 위상홀효과를 자성체 양자나노구조에서 발견했다.

 한국연구재단은 세종대학교 천승현·김건 교수, 부산대학교 박성균 교수 공동 연구팀이 강자성체-반강자성체 이중층에서 스커미온(skyrmion)과 같은 특이한 스핀분포의 상징인 '위상홀효과'를 발견했다고 14일 밝혔다.
 
강자성체는 스핀이 한 방향으로 정렬된 물질이고 반강자성체 교대로 스핀 정렬된 물질이다. 스커미온(skyrmion)은 스핀이 소용돌이 모양으로 휘감아진 덩어리로 위상값을 갖고 있어 데이터의 기본단위로 쓸 수 있으며 크기가 아주 작고 안정적이기 때문에 전력소모가 거의 없다.
  
 최근 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심기술로 각광받고 있는 양자 스핀 구조체인 스커미온은 가상의 자기장에 의한 위상홀효과라는 독특한 현상을 보이며 위상홀효과로 스커미온의 존재를 미리 알 수있다.

 기존에는 중금속인 백금이나 위상부도체처럼 큰 스핀-궤도 결합력을 가진 물질과 강자성체의 조합에서만 위상홀효과가 발견됐으나 스커미온의 위상 특성을 이용한 인공지능 소자 발전이나 위상 양자컴퓨터의 개발을 위해서는 훨씬 넓은 범위로 확장 가능한 위상홀효과 연구가 필요하다.

공동연구팀은 원자층 단위로 물질을 쌓는 분자선속증착(MBE) 장비로 2차원 자성체에 대한 연구를 진행하던 중 위상홀효과가 나타나는 새로운 메커니즘을 발견했다.

연구팀 관계자는 "기판 위에 강자성체만 증착하면 기존에 알려진 이상홀효과(anomalous Hall effect)가 보이는 반면 반강자성체를 같이 증착할 경우 위상홀효과로 바뀌는 현상을 확인했다"며 "이상홀효과는 자기장 대신 자기 모멘트에 비례해 생기는 수직방향 전위차다"고 설명했다.

강자성체-반강자성체 이중층은 거대 자기저항 현상이나 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 읽기헤드의 핵심 역할을 담당할 만큼 익숙한 나노구조이지만 여기서 위상홀효과를 발견한 것은 이번이 처음이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 나노분야 국제학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 온라인판에 지난달 27일자로 게재됐다.(논문명:Emergent topological Hall effect from exchange coupling in ferromagnetic Cr2Te3/noncoplanar antiferromagnetic Cr2Se3 bilayers)

천승현 교수는 "이번 연구 결과가 외부환경 변화에 관계없이 안정적으로 보존되는 양자정보소자 연구에 실마리를 제공 할 수 있을 것"이라며 "후속 연구를 통해 2차원 자성체와 위상물질 결합을 시도해 새로운 양자현상 발견 및 위상 양자컴퓨터 등으로의 활용 가능성을 기대한다"고 말했다.


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