광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이종석 물리·광과학과 교수팀이 미국 미네소타대학교와의 공동으로 머리카락 두께의 약 5만분의 1에 불과한 극도로 얇은 루테늄 산화물(RuO₂)에서 새로운 자석 성질이 나타날 수 있음을 실험적으로 규명했다고 17일 밝혔다.
RuO₂은 루테늄이라는 금속과 산소가 결합해 만든 금속 산화물이다. 전기가 잘 통하고 열과 화학 반응에도 강한 성질을 가져 배터리·전자기기·촉매 등 다양한 첨단 기술 분야에 활용되는 소재다.
현재 널리 사용하는 강자성 물질은 외부 자기장이나 주변 환경의 영향을 비교적 쉽게 받아 안정성이 떨어질 수 있고, 자성의 방향을 바꾸는 속도에도 한계가 있어 기기의 작동 속도를 크게 높이기 어렵다는 문제가 있다.
연구팀은 기존 자석 소재의 속도와 안정성 한계를 극복하기 위해 전기가 잘 통하고 열과 화학 반응에도 강한 금속 물질인 RuO₂ 주목했다. 이 물질을 매우 얇은 막 형태로 만들고 내부 구조에 미세한 변형을 가하면 기존에는 나타나지 않던 새로운 자성 상태가 나타날 수 있다는 점에 착안했다.
하이브리드 분자빔 에피택시(hMBE)라는 첨단 박막 제작 기술을 이용해 루테늄 산화물을 원자 한 층씩 정밀하게 쌓아 올렸다. 이렇게 제작한 초박막 두께와 구조를 정밀하게 제어하면서 자석 성질이 어떻게 변하는지 실시간으로 관찰했다. 물질 내부에 물리적인 힘인 응력을 가해 마치 신축성 있는 천을 팽팽하게 잡아당기듯 결정 구조를 미세하게 변형시켜 새로운 자성 상태가 나타나는 조건을 확인했다.
실험 결과 응력이 가해진 초박막 RuO₂에서 기존 자석과는 다른 새로운 자성 현상, 즉 교자성 특성이 나타날 수 있음을 실험적으로 확인했다. 금속의 전기적 특성과 새로운 자성 특성이 결합된 물질 상태를 구현한 사례다.
향후 인공지능(AI) 슈퍼컴퓨터와 같은 고성능 컴퓨팅 장치에서 정보를 더 빠르고 안정적으로 처리하는 차세대 스핀 기반 전자소자 연구에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대한다
이종석 교수는“이번 연구는 RuO₂서 논의돼온 교자성 존재 가능성을 실험적으로 검증했다는 점에서 의미가 크다”며 “자성과 극성을 동시에 제어할 수 있는 새로운 기능성 소재 개발의 가능성을 제시함으로써 차세대 초고속·저전력 스핀 기반 전자소자 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
