자성메모리를 초고효율로 온-오프 제어할 수 있는 기술이 개발돼 향후 스핀기반의 인공지능 및 양자 기술에 활용될 것으로 기대가 모아진다.

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우)은 화학물리학과 유천열 교수 연구팀이 자성메모리 동작을 위한 스핀-궤도 토크를 전기장을 인가해 초고효율로 온-오프 제어하는 기술을 개발하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

스핀-궤도 토크 기반 자성메모리 소자는 전류를 이용해 자성체의 상태를 조절할 수 있어 기존 메모리 소자의 한계를 극복할 차세대 기술로 주목받고 있다.

반면에 기존 스핀-궤도 토크 소자는 외부 전압을 활용한 정밀한 제어가 어려워 응용 가능성에 한계가 있었다.

유천열 교수 연구팀은 대칭적인 중금속층-강자성층-중금속층의 삼층구조에서 상하부 중금속층에서 생성되는 스핀 전류가 상쇄되어 스핀-궤도 토크가 작용하지 못하는 점에 착안했다.

연구팀은 해당 구조에서 이온 게이트 수법을 이용하여 나노미터(nm-10억분의 1m) 크기의 상부 중금속층인 백금 초박막에서 생성되는 스핀 전류를 조절함으로써 스핀-궤도 토크를 6배 이상 변화시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다.

이를 통해 스핀-궤도 토크 소자의 온-오프 스위칭이 가능하며, 나아가 전기적으로 프로그래밍 가능한 스핀기반 인공지능·양자 소자로 활용될 수 있음을 확인했다.

연구팀이 제시한 개념적 모델에 따르면, 이온 게이팅을 통해 백금 초박막 내 전하-스핀 상호변환의 크기가 변하여, 이에 따라 생성되는 스핀 전류의 크기 및 방향이 조절된다.

이러한 현상을 기반으로 스핀-궤도 토크 소자의 성능을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 제시했다.

공동 교신저자인 이수범 박사(현 일본 신슈대학교 조교수)와 유천열 교수는 “이번 연구는 외부 전압을 활용하여 스핀-궤도 토크를 정밀하게 조절할 수 있음을 보인 것으로, 향후 스핀 기반 저전력 논리 소자 및 메모리 소자로의 실용화를 앞당기는 중요한 성과”라고 밝혔다.

이번 연구결과는 차세대지능형반도체기술개발(소자)사업의 지원을 받아 수행하여 ‘Electrically Switchable ON-OFF Spin-Orbit Torque in an Ionic-Gated Metallic Trilayer’라는 제목으로 국제 저명 학술지 ‘Science Advances’ 최신호에 선정·게재됐다.