이미지 크게보기 2차원 스커미온의 생성과 전기적 제어를 표현한 모식도. 한국표준과학연구원 제공

국내 연구진, 세계 최초로 ‘상온 양자컴퓨터’ 핵심 기술 개발
초저전력·초고성능 차세대 소자에 한 발짝…AI 반도체에도 활용 가능


국내 연구진이 상온에서의 양자컴퓨터를 구현하는데 한 걸음 더 다가섰다. 핵심 기반 기술을 확보함으로써 낮은 전력을 소모하고도 양자 효과를 극대화해 양자컴퓨터와 AI 반도체 개발에 도움이 될 전망이다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 11일 세계 최초로 2차원 상온에서 ‘스커미온(Skyrmion)’을 생성하고 제어하는 데 성공했다고 밝혔다. 스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(Spin) 구조체로, 이론상 수 나노미터 수준으로 크기를 줄일 수 있고 매우 적은 전력으로도 이동할 수 있어 초저전력·초고성능 차세대 소자의 핵심 기술이다.

KRISS는 상온의 2차원 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 후, 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어하는 데 성공했다고 밝혔다. KRISS에 따르면 이번 실험을 통해 기존 3차원 자석에서의 연구보다 1000분의 1 수준의 적은 전력으로 스커미온을 제어하는 것이 가능한 것으로 확인됐다. 스커미온의 크기 역시 10배 이상 작아져 안정성과 속도 측면에서 대폭 유리한 것으로 나타났다. 2차원 스커미온의 상온 발현 기술은 비슷한 시기에 미국과 중국에서도 보고됐지만, 나아가 전기적 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초다.

연구진은 지난해 2월 3차원 스커미온 트랜지스터를 개발한 지 약 1년 만에 2차원 환경에서의 연구도 성공하며 차세대 ‘스핀트로닉스(Spintronics)’ 소자 개발에 한 발 더 다가서게 됐다. 특히 이번 기술은 상온에서의 스커미온 양자 현상을 극대화함으로써 상온 큐비트 제작에 활용할 수 있다. 초저온 환경에서만 구동할 수 있던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘은 ‘상온 양자컴퓨터’ 개발의 문을 연 것이다.

기존 스커미온 응용 연구는 3차원 자석에서만 진행됐으나, 지난 2017년 2차원 자석이 최초로 보고됨에 따라 2차원 환경에서의 연구 역시 폭넓게 이뤄지고 있다. 이는 3차원과 달리 2차원 환경은 표면과의 마찰이 적어 더 적은 전력으로도 안정적으로 동작할 수 있다는 장점을 가지기 때문이다. 또 2차원에 존재하는 스커미온은 3차원과 비교해 크기가 작아 양자 현상이 극대화되는 장점도 있다.

이번 연구는 KRISS 양자기술연구소 양자자기센싱그룹과 김갑진 카이스트 교수팀, 이창구 성균관대 교수팀, 임미영 미국 로렌스 버클리 국립연구소 박사가 공동으로 참여했다. 과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구의 성과는 지난 5월 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 게재됐다.

구혁 기자



■용어 설명

○스커미온(Skyrmion) : 1961년 영국의 물리학자 토니 스커미가 제안한 위상학적 성질을 가지는 입자로, 축(Spindle)이 소용돌이 모양의 나선형으로 배열된 입자 형태의 독특한 스핀 구조체. 외부 환경변화에도 불구하고 형태나 구조를 유지하려는 성질이 있어 수 나노미터 수준의 작은 크기로 생성할 수 있으며 전기적으로 그 개수를 조절할 수도 있다. 이러한 특성은 메모리, 논리 소자, 통신 소자 등 차세대 전자소자에 적용하기에 매우 유용하다. 스커미온을 메모리 소자에 활용하기 위해서는 정보 저장의 기본단위(bit)인 각각의 스커미온을 원하는 위치에 생성하고 소멸시킬 수 있어야 하며, 생성된 스커미온을 매우 높은 효율로 이동시킬 수 있어야 한다.



○2차원 자석 : 원자 한 개 수준의 두께를 가진 매우 얇은 소재 중 자성을 가지는 소재. 2차원 소재에서는 3차원 구조에서 나타나지 않는 새로운 물리적 현상이 나타난다.



○스핀(spin) : 전하, 질량처럼 전자가 가지고 있는 근본적인 물리량 중 하나. 전자는 +1/2, -1/2 두 가지의 스핀을 가질 수 있으며, 전자의 스핀은 우리가 잘 아는 자석을 설명하는 데 필수적인 개념이다. 스핀 전자소자는 스핀의 고유특성인 비휘발성(non-volatility)뿐만 아니라 초고속, 초저전력 및 초고주파 등의 특성이 있어 차세대 소자로 활용될 가능성이 높다.



○스핀트로닉스(spintronics) : ‘스핀(spin)’과 ‘일렉트로닉스(electronics)’의 합성어로, 스핀을 이용해 차세대 메모리 등의 전자소자를 개발하는 분야. 즉, 전자의 스핀이 갖는 두 방향의 자유도를 이용해 0과 1의 정보를 처리하거나 저장한다. 반도체 기반 전자소자는 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중, 양자역학적 성질인 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어해 오늘날의 발전을 이루어 왔다. 그러나 소자 자체의 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면한 상황이다. 이에 초저전력, 초고속, 대용량 등 차세대 메모리 소자 구현에 사용될 스핀을 연구하는 스핀트로닉스 분야가 빠르게 부상하고 있다.