지속 가능한 스핀트로닉스를 위한 지구에 풍부한 광물

2023년, EPFL 연구진은 기존의 전자 흐름 대신 스핀파라는 무전하 자기파를 이용하여 데이터를 전송하고 저장하는 데 성공했습니다. 공과대학 나노스케일 자성 재료 및 마그노닉스 연구실(Dirk Grundler)의 디르크 그런들러(Dirk Grundler)가 이끄는 연구팀은 고주파 신호를 사용하여 작은 나노자석의 자화 상태를 반전시킬 수 있을 만큼 충분한 스핀파를 여기시켰습니다.

예를 들어, 0에서 1로 전환하면 나노자석이 디지털 정보를 저장할 수 있게 되는데, 이는 컴퓨터 메모리뿐 아니라 정보통신 기술에서도 널리 사용되는 기술입니다.

이 연구는 지속 가능한 컴퓨팅을 향한 큰 발걸음이었습니다. 스핀파(준입자를 마그논이라고 함)를 통해 데이터를 인코딩하면 전자 기반 장치에서 발생하는 에너지 손실, 즉 줄 열(Joule heat)을 없앨 수 있었기 때문입니다. 그러나 당시에는 스핀파 신호를 사용하여 자기 비트를 재설정하여 기존 데이터를 덮어쓸 수 없었습니다.

그런들러 연구실은 중국 베이항 대학교 동료들과 협력하여 이러한 반복적인 인코딩을 가능하게 하는 연구를 네이처 피직스(Nature Physics) 에 발표했습니다 . 구체적으로, 연구팀은 지구상에 풍부하고 스핀트로닉스에 현재 사용되는 재료보다 훨씬 환경 친화적인 산화철 화합물인 헤마타이트(hematite)에서 전례 없는 자기적 거동을 보고했습니다.

그런들러는 이렇게 설명합니다. "이 연구는 적철광이 단순히 이트륨 철 가넷과 같은 기존 소재를 지속 가능하게 대체하는 데 그치지 않음을 보여줍니다. 이 연구는 초고주파 신호 처리를 위해 활용될 수 있는 완전히 새로운 스핀 물리학을 보여주는데, 이는 초고속 스핀트로닉스 소자 개발과 차세대 정보통신 기술 응용에 필수적입니다."

두 개의 magnon 모드가 하나보다 낫습니다.

이 발견은 EPFL 출신이자 현재 베이항대학교(Beihang University) MIIT 스핀트로닉스 핵심 연구실 산하 페르트 베이징 연구소(Fert Beijing Institute) 교수인 하이밍 유(Haiming Yu)가 적철광의 나노구조 백금 띠에서 이상한 전기 신호를 감지하면서 예상치 못하게 이루어졌습니다. 같은 연구팀의 루통 셩(Lutong Sheng) 연구원이 측정한 이 신호는 기존 자성 물질에서 관찰된 것과는 달랐습니다. 유 연구팀의 연구팀은 분석을 위해 장치를 그런들러(Grundler) 연구실로 보냈습니다.

샘플에서 마그논 신호를 분석하던 중 그런들러는 공간 분포에 '흔들림'이 있음을 발견했습니다. 유 교수는 "이 예리한 관찰은 결국 간섭 패턴을 발견하는 데 도움이 되었고, 이것이 이 연구의 중요한 전환점이었습니다."라고 말합니다.

실제로 EPFL 박사과정생 안나 두바키나는 광산란 현미경을 사용하여 적철석 샘플에서 이상한 전기 신호가 마그논 모드라고 불리는 두 개의 서로 다른 스핀파 여기 사이의 간섭 패턴과 관련이 있음을 밝혀냈습니다.

이트륨 철 가넷과 같은 다른 자성 물질은 마그논 모드를 하나만 생성하지만, 두 개의 마그논 모드를 갖는 것은 매우 중요합니다. 즉, 마그논에서 생성된 스핀 전류가 동일한 장치에서 반대되는 분극 사이를 오가도록 만들 수 있으며, 이는 나노 자석의 자화 상태를 어느 방향으로든 바꿀 수 있음을 의미합니다.

이론적으로, 이는 디지털 데이터의 반복적인 인코딩 및 저장을 가능하게 할 수 있습니다. 연구진은 앞으로 헤마타이트 장치에 나노 자석을 장착하여 이 아이디어를 시험해 볼 계획입니다.

"적철광은 수천 년 동안 인류에게 알려져 왔지만, 그 자성은 일반적인 응용 분야에는 너무 약했습니다. 이제 1950년대에 마이크로파 전자 장치에 최적화된 소재보다 성능이 뛰어난 것으로 밝혀졌습니다."라고 그런들러는 말합니다.

"이것이 바로 과학의 아름다움입니다. 지구상에 풍부하게 존재하는 이 오래된 소재를 활용하여 시의적절한 응용 분야를 찾아낼 수 있으며, 이를 통해 스핀트로닉스에 대한 더욱 효율적이고 지속 가능한 접근 방식을 구축할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250425113607.htm