에너지과학과 최경민 교수 연구팀은 카이스트 이경진 교수 연구팀과 협력하여 반강자성체 물질에 기반한 70 GHz 초고속 스핀 소자를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 초고속 동작 자기메모리 개발을 위한 핵심 원리로 주목받고 있다.

자기메모리 (MRAM)의 0과 1의 정보는 자성체의 자화 방향으로 결정되며, 이 자화 방향을 전기적으로 제어하기 위하여 스핀-토크 (spin-torque) 원리가 이용된다. 스핀-토크는 전자의 스핀이 강자성체로 주입되면 스핀이 강자성체의 자화에 흡수되는 현상으로써, 물질 내부의 각운동량 이동에 관한 원리이다 (그림 1). 자성체에서는 물질의 낮은 공명주파수로 인하여 스핀 토크에 의한 동작 속도가 1 GHz 수준으로 제한된다. 본 연구진은 공명주파수가 높은 반강자성체 물질인 Mn3Sn을 이용하여 기존 자기메모리 속도 한계를 뛰어넘는 70 GHz 속도로 동작하는 스핀-토크 소자를 구현하였다 (그림 2).

이 연구는 원자 구조가 회전하는 형태인 카이럴 반강자성체에서 스핀이 어떻게 흡수되는 지를 밝혔다. 특히, 기존의 강자성체에 비하여 스핀을 흡수하는 거리인 스핀-결맞음 길이 (spin coherence length)가 매우 긴 것을 보여주었다. 이처럼 긴 스핀 결맞음 길이는 스핀 토크 효율을 높이는 효과를 가져온다 (그림 3).

최경민 교수는 “이 연구는 스핀 전류와 반강자성체 사이의 스핀-토크 현상에 관한 구체적인 원리를 제공하여 70 GHz 수준의 고속 메모리 개발을 가능케 하는 발견”이라고 설명했다.

본 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 2월 3일 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 선도연구센터사업 등을 통하여 수행되었다.

※ 논문명: Spin-torque-driven gigahertz magnetization dynamics in the non-collinear

antiferromagnet Mn3Sn

※ 학술지: Nature Nanotechnology (IF: 38.1)

※ 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41565-025-01859-7

▲[그림1] 자기메모리 (MRAM)의 스핀-토크 (spin-torque) 에 의한 동작 개념도

▲[그림2] 70 GHz 수준의 초고속 동작 구현

▲[그림3] 카이럴 반가성체 내부에서 스핀-토크 원리 분석

황성문, 이원빈 연구원