고려대, 세계 최초 ‘자성 나노 나선 구조’ 구현… 전자 스핀 제어 성공

△ 카이랄 자성 나노 나선의 모식도

연구진은 전기화학적 방법으로 금속을 만들 때 카이랄 분자를 첨가해, 입자가 결정화되는 방향을 오른쪽 또는 왼쪽으로 제어했다.

고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 서울대 남기태 교수 연구팀과 함께, 외부 자기장이나 극저온 장치 없이도 전자의 스핀 방향을 조절할 수 있는 자성 나노 나선 구조를 세계 최초로 구현했으며, 이를 이용해 스핀을 선택적으로 이동시키는 기술도 개발했다.

*스핀(spin): 전자가 갖는 고유한 자기적 성질로, 양자역학적으로 ‘위쪽’과 ‘아래쪽’ 두 상태를 가짐

*나선(helix): 소라 껍데기나 용수철 같이 한쪽으로 꼬인 형상

본 연구 성과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 ‘Science’ 온라인에 9월 5일 게재됐다.

*논문명: Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices

*DOI: 10.1126/science.adx5963

*URL: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5963

카이랄 물질은 빛이나 자기장에 비대칭적으로 반응하는 독특한 성질을 지닌다. 특히, 카이랄성에 따라 전자의 스핀 방향(위쪽 또는 아래쪽)을 선택적으로 걸러낼 수 있어, 스핀을 정보 단위로 활용하는 스핀트로닉스 분야에서 주목받고 있다. 이러한 특성은 차세대 메모리·반도체 소자로 응용 가능성이 크지만, 기존 유기물 기반 카이랄 소재는 구조적 안정성이 낮고 전기가 잘 통하지 않아 실제 산업에 적용하기 어려운 한계가 있었다.

*카이랄(chiral): 오른손과 왼손처럼 서로 대칭이지만 겹칠 수 없는 구조

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 금속의 결정화 과정을 정교하게 조절해 ‘카이랄 자성 나노 나선 구조’를 제작했다. 이 과정에서 소량의 특수 분자를 더해 나선의 꼬임 방향을 원하는 대로 조절하는 데 성공했다.

제작된 나선 구조는 특정 방향의 스핀만 통과시키고 반대 방향은 차단하는 성질을 보였다. 즉, 구조가 가진 회전성만으로 스핀을 선별해 이동시킬 수 있음을 입증한 것이다. 또한, 연구팀은 자성체 특징 덕분에 걸러진 스핀이 상온에서도 멀리까지 이동할 수 있음을 확인했으며, 나노 나선이 스스로 전압을 만들어내는 특성을 활용해 구조의 대칭적 성질을 수치화할 수 있는 새로운 방법도 제시했다.

고려대 김영근 교수는 “자성 물질은 자체적으로 전자의 스핀을 정렬하는 능력이 있어 카이랄 구조와 결합하면 스핀 흐름을 제어할 수 있다”라며, “이번 성과는 카이랄 스핀트로닉스의 원리를 이해하는 데 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업과 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.

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△ (왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 김영근 교수(교신저자), 고려대 정은진 석박통합과정(제1저자), 고려대 전유상 박사후연구원(제1저자), 서울대 재료공학부 남기태 교수(교신저자)