'스핀 전류'.. 스핀트로닉스 새 장

전기로만 '스핀 전류'.. 스핀트로닉스 새 장

 

최종수정 2020.05.18 09:43 기사입력 2020.05.18 09:43

 

 

라쉬바-에델스타인 효과 측정을위한 소자의 구성을 설명한 그림이다.

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[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 전자의 회전(스핀)을 활용한 저전력 트랜지스터인 '그래핀-스핀 트랜지스터'를 상용화하기 위한 핵심 기술을 개발했다. 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)인 그래핀과 전이금속과의 접합을 통해 자기장, 자성체 없이 스핀 전류를 생성·검출하는데 성공한 것이다. 한국과학기술원은 이 같은 내용의 조성재 물리학과 교수 연구팀에 연구결과가 국제 학술지인 에이씨에스 나노에 소개됐다고 18일 밝혔다.

 

연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 2H-TaS2를 접합시켜서 그래핀의 스핀과 전자의 궤도가 상호작용하는 스핀-궤도 결합에너지를100배 이상 키우고 '라쉬바 효과'를 유도하는데 성공했다.

 

라쉬바 효과란 강한 스핀 궤도 결합으로 그래핀과 같은 2차원 물질 내부의 전기장이 자기장으로 전환되는 효과를 말한다. 이것을 이용해 스핀 전류를 생성, 검출하는 효과를 '라쉬바-에델스타인 효과'라고 부른다.

 

라쉬바 효과가 그래핀에 유도되면, 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하 전류와 스핀 전류가 상호 전환이 가능하다. 쉽게 말해, 자기장이나 자성체 없이 그래핀에 전류를 흘려줌으로써 스핀 전류를 생성시킬 수 있고, 그래핀 층에 흘러들어오는 스핀 전류를 전하 전류 혹은 전압 측정을 통해 검출할 수 있다.

연구팀은 또 트랜지스터의 단자 사이에 인가되는 전압인 게이트 전압으로 그래핀 이종접합에 생성되는 스핀 전류의 크기와 방향을 제어하는 데 성공했다. 이는 추후 자기장, 자성체 없이 동작 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 초석을 마련한 획기적인 연구성과로 평가받는다.

 

조 교수는 "이번 연구는 그래핀 이종접합에 자기장, 자성체 없이 전기적으로만 스핀 전류를 생성, 검출, 제어할 수 있음을 보인 최초의 연구"라며 "전기적으로만 작동 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 개발로 이어질 것"이라고 내다봤다.

 

그는 "특히, 상온에서 실험이 성공했기 때문에 응용 가능성이 매우 크다"라며 "향후 우리나라 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있는 효과를 기대할 수 있다"고 강조했다.