연구 핵심시설인 분자선속증착(MBE) 장비 앞에서 포즈를 취한 연구진. 왼쪽부터 전재호 세종대 박사과정생, 나홍렬 세종대 박사과정생, 정상균 세종대 박사, 천승현 세종대 교수[세종대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 스마트폰에는 자기장의 크기를 측정해 방향을 알려주거나 정해진 경로로 로봇을 이동하는데 필수적인 홀센서가 탑재된다. 이러한 홀센서를 양자정보에 활용할 수 있는 위상홀효과(인접한 스핀들 간 꼬인 정도에 비례해 나타나는 홀효과)가 자성체 양자나노구조에서 최초로 발견됐다.

한국연구재단은 세종대학교 천승현, 김건 교수와 부산대학교 박성균 교수 공동 연구팀이 강자성체-반강자성체 이중층에서 스커미온(skyrmion)과 같은 특이한 스핀분포의 상징인 위상홀효과를 발견했다고 14일 밝혔다.

강자성체란 흔히 말하는 자석으로, 철(Fe)과 같이 스핀이 한 방향으로 정렬된 물질이고 반강자성체는 스핀이 위-아래-위-아래처럼 교대로 정렬된 물질을 말한다.

최근 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심기술로 각광받고 있는 양자 스핀 구조체 ‘스커미온’은 가상의 자기장에 의한 ‘위상홀효과’라는 독특한 현상을 보이는데, 역으로 위상홀효과의 발견은 이와 같은 스커미온의 존재를 미리 알려주기도 한다.

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

연구팀은 원자층 단위로 물질을 쌓는 분자선속증착 장비로 2차원 자성체에 대한 연구를 진행하던 중, 위상홀효과가 나타나는 새로운 메커니즘을 발견했다.

기판 위에 강자성체만 증착하면 기존에 알려진 이상홀효과가 보이는 반면, 반강자성체를 같이 증착할 경우 위상홀효과로 바뀌는 현상을 확인했다.

강자성체/반강자성체 이중층에서의 위상홀효과 발견.[세종대학교 제공]

강자성체-반강자성체 이중층은 거대 자기저항 현상이나 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 읽기헤드의 핵심 역할을 담당할 만큼 친숙한 나노구조이지만, 위상홀효과가 발견된 것은 처음이다.

천승현 교수는 “이번 연구 결과가 외부 환경 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.

한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 나노분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노’ 5월 27일 온라인 게재됐다.