나노 나선 구조로 전자 스핀 조절 성공…과학적 난제 풀었다

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 외부 자기장이나 극저온 장치 없이도 전자의 스핀 방향을 조절할 수 있는 새로운 자성(magnetic) 나노 나선 구조를 만들었다. 이러한 나노구조를 이용해 스핀을 선택적으로 이동시키는 기술을 개발했다.

스핀(spin)은 전자가 갖는 고유한 자기적 성질이다. 양자역학적으로 ‘업(↑)’, ‘다운(↓)’ 두 상태를 가진다.

국내 연구팀이 카이랄 금속 자성체를 이용해 상온에서 전자 스핀 조절 원리를 제시했다. 유기물과 달리 금속의 경우 나노스케일에서 카이랄성을 제어하는 것은 중요한 과학적 난제였다.

카이랄 자성 나노 나선의 모식도. 연구팀은 전기화학적 방식으로 금속 이온을 환원시킬 때 입자의 결정화 과정에서 카이랄 분자를 첨가해 금속 입자 표면에 흡착돼 그 꼬인 방향을 오른쪽, 왼쪽 카이랄 방향으로 조절했다. [사진=과기정통부]

카이랄(chiral)은 오른손, 왼손처럼 거울대칭으로 방향이 반대여서 겹칠 수 없는 구조를 말한다. 시계방향회전과 반시계방향회전 나선은 대표적 카이랄 구조이다. 카이랄성에 따라 똑같은 조성의 물질도 완전히 다른 특성을 나타낸다. DNA 분자가 대표적 예이다

과학기술정보통신부(장관 배경훈)는 고려대 김영근 교수 연구팀(제1저자 전유상 박사, 정은진 연구원)과 서울대 남기태 교수 연구팀이 자성을 갖는 ‘카이랄 나선 구조’를 제작하고 상온을 포함한 넓은 온도 범위에서 스핀을 조절할 수 있음을 확인했다고 5일 발표했다.

스핀트로닉스(Spintronics) 기술(스핀이라는 양자적 특성을 활용해 정보를 저장, 처리, 전달하는 전자재료 기술)은 두 가지 스핀 상태(↑, ↓)를 제어하고 감지하는 게 핵심이다. 이 기술은 전기가 꺼져도 정보가 남는 비휘발성 메모리인 자성메모리(MRAM)의 핵심기술이자 차세대 정보 소자 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 조절해 ‘카이랄 자성 나노 나선 구조’를 제작하는 데 성공했다. 이 과정에서 소량의 카이랄 유기분자를 도입해 나선이 원하는 방향으로 꼬이도록 유도했다.

이러한 카이랄 자성 나노 나선 구조에서는 특정 스핀만 잘 통과시키고, 반대 방향은 막는 현상을 실험적으로 입증했다. 3차원 나노 나선 구조 자체만의 회전성으로 스핀을 선택적으로 걸러내고 이동시킬 수 있음을 밝혀낸 결과이다.

추가로 자성 나노 나선이 본래 가지고 있는 자성 덕분에 이 구조를 통과한 스핀이 상온에서도 멀리 이동할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 나노 나선이 회전하는 자기장 속에서 스스로 전압(기전력)을 만들어내는 성질을 이용해 카이랄성을 정량적으로 확인하는 새로운 방법을 개발했다.

김영근 교수는 “자성체는 그 자체로 전자의 스핀을 정렬하는 능력이 있어 카이랄 구조에 의한 스핀의 흐름 조절이 가능하다”라며 “이번 연구로 그동안 이론과 실험으로 보고된 카이랄 스핀트로닉스 원리를 보다 더 이해하는 계기가 됐다”고 설명했다.

남기태 교수는 “유기물과 달리 금속의 경우 나노스케일에서 카이랄성을 제어하는 것은 중요한 과학적 난제”라며 “분자를 이용한 나선의 꼬인 방향성을 제어한 최초의 결과”라고 의미를 전했다.

이번 연구 성과(논문명: Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices)는 ‘사이언스(Science)’ 9월 5일 자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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