그래핀, 자석 없이도 "불가능한" 양자 전류의 시크릿 해제

칩에 집적된 그래핀 기반 스핀트로닉스 소자의 양자 스핀 홀 효과를 표현한 예술가의 작품. 파란색과 빨간색 구체는 그래핀 가장자리를 따라 이동하는 스핀 업 및 스핀 다운 전자입니다. 그래핀 아래에는 층상 자성 물질인 CrPS4가 있습니다. 사진 제공: ScienceBrush, Talieh Ghiasi

네덜란드 델프트 공과대학(TU Delft)의 과학자들은 자기장을 사용하지 않고 그래핀에서 양자 스핀 전류를 최초로 관찰했습니다. 이 전류는 전자공학보다 빠르고 에너지 효율적인 대안인 스핀트로닉스에 필수적입니다. Nature Communications 에 게재된 이 획기적인 연구 는 양자 컴퓨팅 및 고급 메모리 소자와 같은 기술 발전에 중요한 진전을 의미합니다.

양자 물리학자 탈리에 기아시(Talieh Ghiasi)는 외부 자기장 없이 그래핀에서 양자 스핀 홀(QSH) 효과를 최초로 입증했습니다. QSH 효과는 전자가 그래핀 가장자리를 따라 아무런 방해 없이 움직이게 하며, 모든 스핀은 같은 방향을 향하게 합니다. 기아시는 "스핀은 전자의 양자역학적 특성으로, 전자에 의해 움직이는 작은 자석처럼 위아래로 움직입니다."라고 설명합니다. "전자의 스핀을 활용하여 소위 스핀트로닉스 소자에서 정보를 전달하고 처리할 수 있습니다. 이러한 회로는 더 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치, 양자 컴퓨팅, 고급 메모리 소자를 포함한 차세대 기술에 큰 가능성을 제공합니다."

온칩 통합

그래핀에서 양자 수송을 구현하려면 일반적으로 전자 회로와 호환되지 않는 큰 외부 자기장을 적용해야 합니다. "특히 그래핀에서 양자 스핀 전류를 감지하려면 칩에 통합하는 것이 사실상 불가능한 큰 자기장이 항상 필요했습니다. 따라서 외부 자기장 없이 양자 스핀 전류를 구현할 수 있다는 사실은 이러한 양자 스핀트로닉스 소자의 미래 응용 분야를 위한 길을 열어줍니다."라고 기아시는 말합니다.

그래핀의 스핀 전달

반 데르 잔트 연구실의 과학자들은 자성 물질인 CrPS₄ 위에 그래핀을 겹겹이 쌓아 외부 자기장을 사용하지 않아도 되도록 했습니다. 이 자성층은 그래핀의 전자적 특성을 크게 변화시켜 그래핀에 양자 스핀(QSH) 효과를 일으켰습니다. 기아시: "그래핀의 스핀 전달이 인접한 CrPS₄에 의해 변형되어 그래핀 내 전자 흐름이 전자의 스핀 방향에 따라 달라지는 것을 관찰했습니다."

스핀 정보 보존

과학자들이 그래핀-CrPS 4 스택에서 검출한 양자 스핀 전류는 '위상적으로' 보호되는데, 이는 스핀 신호가 수십 마이크로미터 거리에서도 회로 내 스핀 정보 손실 없이 그대로 전달됨을 의미합니다. 기아시는 " 이러한 위상적으로 보호된 스핀 전류는 장애 및 결함에 강하여 불완전한 조건에서도 안정적으로 작동합니다."라고 말합니다. 스핀트로닉스 회로를 구축하는 데 있어 정보 손실 없이 스핀 신호를 보존하는 것은 매우 중요합니다.

이번 발견은 초박형 그래핀 기반 스핀트로닉스 회로 개발의 길을 열어 차세대 메모리 및 컴퓨팅 기술의 발전을 촉진할 것으로 기대됩니다. 그래핀에서 관찰된 스핀 전류는 전자 스핀을 통해 효율적이고 일관된 양자 정보 전달을 위한 강력하고 새로운 경로를 제시합니다. 이러한 견고한 스핀트로닉스 소자는 양자 회로 내에서 큐비트를 완벽하게 연결하여 양자 컴퓨팅의 핵심 구성 요소로 활용될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250626081539.htm