독일 마인츠대와 공동연구
차세대 정보처리 소자 응용

연구팀이 최초로 발견한 세 가지 종류의 마그논 동역학을 기술하는 비가환 마그논 양자색역학 모식도. 사진 제공=KAIST

[서울경제]

국내외 공동 연구진이 전류 없이 자석만으로 정보 전달이 가능한 새로운 ‘마그논(스핀파)’ 이론을 세계 최초로 규명했다. 차세대 뉴로모픽(뇌를 닮은) 연산 등 다양한 정보처리 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 김세권 물리학과 교수와 리카르도 자르주엘라 독일 마인츠대 박사 공동 연구팀이 ‘쩔쩔맴 자성체’라는 복잡한 자석 구조 안에서 마그논과 솔리톤(스핀 소용돌이)의 상호작용을 통해 마그논 홀 효과가 기존 2차원을 넘어 3차원에서 자유롭고 복잡하게 일어난다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다고 22일 밝혔다. 연구성과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 이달 6일 게재됐다.

마그논은 전류를 쓰지 않고 정보를 전달해 발열이 없는 차세대 정보처리 기술로 주목받는다. 지금까지의 마그논 연구는 스핀들이 한 방향으로 가지런히 정렬된 단순한 자석에서만 이루어졌고 이를 설명하는 수학도 비교적 단순한 ‘가환 게이지 이론’이었다.

연구팀은 기존보다 한 차원 높은 수학인 비가환 게이지 이론을 적용했다. 기존 선형 자성체에서는 자기 상태를 나타내는 값(질서 변수)이 벡터로 주어진다. 이에 기반한 마그노닉스 연구에서는 마그논이 스커미온과 같은 솔리톤 구조에서 이동할 때 U(1) 가환 게이지장이 유도된다고 해석돼왔다. 이는 솔리톤과 마그논의 상호작용은 양자전기역학(QED)과 유사한 구조를 가지며 이를 통해 2차원 자성체에서의 마그논 홀 효과와 같은 여러 실험적 결과를 잘 설명해 왔다.

하지만 연구팀은 이번 연구를 통해 쩔쩔맴 자성체에서는 질서 변수가 단순한 벡터가 아닌 쿼터니언으로 표현돼야 하고 그 결과 마그논이 느끼는 게이지장도 단순한 U(1) 가환 게이지장이 아닌 SU(3) 비가환 게이지장이 된다는 점을 이론적으로 최초 규명했다.

이는 곧 쩔쩔맴 자성체 안에는 기존의 자성체에서 보이던 한두 가지 종류의 마그논이 아닌 세 가지 종류의 마그논이 존재하며 이들 각각이 솔리톤과 복잡하게 얽혀 상호작용하게 된다는 뜻이다. 이러한 구조는 전자기 힘을 설명하는 양자전기역학(QED)보다는 양자색역학(QCD)과 유사한 구조를 갖는다는 점에서 큰 의미를 지닌다.

김 교수는 “이번 연구는 쩔쩔맴 자성체의 복잡한 질서 속에서 발생하는 마그논의 동역학을 설명할 수 있는 강력한 이론적 틀을 제시했다”며 “비가환 마그노닉스를 최초로 제시함으로 양자 자성 연구 전반에 영향을 줄 수 있는 개념적 전환점이 될 것”이라고 말했다.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com

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