한국연구재단, 위상홀효과 발견 연구 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 스마트폰 속 첨단 센서 중 하나인 홀센서를 양자정보에 활용할 수 있는 위상홀효과를 자성체 양자나노구조에서 발견했다.

한국연구재단은 세종대 천승현·김건 교수와 부산대 박성균 교수 공동연구팀이 ‘강자성체-반강자성체’ 이중층에서 스커미온(스핀이 소용돌이 모양으로 휘감아진 덩어리)과 같은 스핀분포의 상징인 위상홀효과를 발견했다고 14일 밝혔다.

위상홀효과를 인접한 자기장 스핀들 간 꼬인 정도에 비례해 나타나는 홀효과로 기존에는 중금속인 백금이나 위상부도체처럼 큰 스핀-궤도 결합력을 가진 물질과 강자성체의 조합에서만 위상홀효과가 발견됐으나 스커미온의 위상 특성을 이용한 인공지능 소자 발전이나 위상 양자컴퓨터의 개발을 위해서는 훨씬 넓은 범위로 확장 가능한 위상홀효과 연구가 필요했다.

연구팀은 원자층 단위로 물질을 쌓는 분자선속증착(MBE·초고진공장비) 장비로 2차원 자성체에 대한 연구를 진행하던 중 위상홀효과가 나타나는 새로운 메커니즘을 발견했다.

기판 위에 강자성체만 증착하면 기존에 알려진 이상홀효과(자기 모멘트 기반 수직방향 전위차)가 보이는 반면 반강자성체를 같이 증착할 경우 위상홀효과로 바뀌는 현상을 확인했다.

강자성체-반강자성체 이중층은 거대 자기저항 현상이나 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 읽기헤드의 핵심 역할을 담당할 만큼 친숙한 나노구조이지만, 위상홀효과가 발견된 것은 처음이다.

천승현 교수는 “이번 연구 결과가 외부 환경 변화에 관계없이 안정적으로 보존되는 양자정보소자 연구에 실마리를 제공 할 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 2차원 자성체와 위상물질 결합을 시도해 새로운 양자현상 발견 및 위상 양자컴퓨터 등으로의 활용 가능성을 엿볼 계획이다.