50년 된 자기 이상 현상, 2D 나노시트에서 마침내 포착

오스틴에 위치한 텍사스 대학교(University of Texas at Austin)의 진공 챔버 내부에서 물리학자들은 니켈 인 삼황화물(NiPS3) 단일층을 채취한 뒤 자기적 노이즈가 얼어붙을 때까지 온도를 낮췄다. 그 결과 '6상태 클록 위상(six-state clock phase)'이 나타났는데, 이는 원자 스핀이 6개의 개별 방향으로 고정되면서 이론상의 자기 소용돌이를 질서 정연한 기하학적 패턴으로 배열한 미세한 지형이었다.

이는 1970년대에 예측된 베레진스키-코스털리츠-사울리스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 전이를 물질에서 직접 관측한 최초의 사례다. BKT 전이는 2차원 자석이 3차원 자석과는 근본적으로 다르게 거동한다는 이론적 현상으로, 지난 50년간 수학적 호기심의 영역에 머물러 있었다. 오늘날 이 현상은 반도체 산업에서 매우 가치 있는 기계적 특성으로 평가받으며, 기존 전자 기기의 막대한 발열 없이 연산이 가능한 스핀트로닉스 메모리 칩을 위한 물리적 청사진을 제시하고 있다.

평면 자석을 찾기 위한 50년의 여정

1970년대, 이론 물리학자들은 완벽한 2차원 연속 스핀 시스템에서는 기존의 자기 상전이가 일어날 수 없음을 증명했다. 대신 수학적 계산은 2차원 시스템이 소용돌이, 즉 온도가 변화함에 따라 결합하거나 분리되는 미세한 자기 소용돌이를 형성할 것임을 시사했다.

문제는 이 수학적 모델을 검증할 만큼 깨끗한 물질을 찾는 것이었다. 현실 세계의 자석은 3차원에 존재하며 구조적 결함, 부수적인 상호작용, 노이즈가 섞인 면외 결합으로 가득 차 있다. BKT 물리학을 실제로 관측하기 위해 연구진은 외부와 차단된, 원자 수준으로 평평한 자석과 극저온 제어 환경이 필요했다.

UT 오스틴 연구팀은 NiPS3 단층에서 예측된 전체 과정을 포착하는 데 성공했다. 더 높은 온도에서 이 물질은 소용돌이-반소용돌이 유체 상태를 보였으나, 장비의 온도가 더 낮아지자 단단한 6상태 클록 위상으로 변했다. 이로써 추상적인 수학 방정식이 마침내 장치 설계팀이 조작 가능한 공학적 물질과 연결되었다.

데이터 센터의 발열 문제 해결

위상학적 자기 질감(topological magnetic textures)이 상업적으로 매력적인 이유는 전력 소비에 있다. 기존 실리콘 전자 기기는 저항성 물질을 통해 전하를 이동시키며 엄청난 열을 발생시킨다. 반면 스핀트로닉스는 전자의 스핀을 이용해 줄 발열(Joule heating)을 거의 제로에 가깝게 유지하며 논리 연산을 수행한다.

자기 소용돌이는 위상학적으로 보호되기 때문에 국부적 결함이나 열적 노이즈에 매우 안정적이며, 이 점에서 특히 가치가 있다. 만약 이러한 안정적인 소용돌이에 데이터를 인코딩하고 스핀 전류로 제어할 수 있다면, 메모리와 연산에 드는 에너지 비용은 획기적으로 낮아질 것이다.

그러나 넘어야 할 공학적 난제는 크다. UT 오스틴의 실험은 극한의 저온과 다루기 힘든 초청정 반데르발스 이종 구조에 의존한다. 재료 과학계에서는 이미 상업용 칩 설계의 절대적 기준인 상온에서 유사한 안정성을 달성할 수 있는 다른 자기적 조합이 존재할지 여부를 두고 논쟁이 벌어지고 있다.

웨이퍼 규모의 야망과 제조 격차

유럽의 산업 정책 입안자들에게 저전력 컴퓨팅 하드웨어의 발전은 주시 대상이다. 브뤼셀과 베를린은 수십억 유로의 국가 보조금을 첨단 반도체 주권에 투입하고 있으며, 특히 지역 데이터 센터와 양자 하이브리드 시스템의 급증하는 전력 소비를 억제할 수 있는 수단으로 스핀트로닉스를 주목하고 있다.

유럽이 가진 구조적 문제는 핵심 산업 역량이 이국적인 반데르발스 나노시트를 대량 생산하는 데 있지 않다는 점이다. 유럽은 정밀 리소그래피, 장비 제조, 시스템 통합 분야에서는 압도적이지만, 새로운 소재 생산을 개척하는 데는 종종 뒤처져 있다.

BKT 소용돌이가 텍사스의 극저온 장치에서 상용 논리 칩으로 넘어가려면 대서양을 건너는 분업이 필요할 것이다. 전문 연구소들이 소재 플랫폼을 계속해서 매핑하는 동안, 유럽의 장비 제조사들은 그 섬세한 원자층을 표준 실리콘 공정에 통합하는 방법을 찾아낼 것이다. 브뤼셀은 주권적 공급망 지침을 작성할 수 있겠지만, 극저온 공정을 해결하는 것은 누군가 다른 이의 몫이 될 것이다.

출처

• 오스틴 텍사스 대학교(University of Texas at Austin)