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2025-11-18 (화)

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[신소재 신기술(197)] 테라헤르츠 빛으로 '차세대 비휘발성 메모리' 가능성 열다

과학자들이 원형 테라헤르츠 빛을 이용해 초안정성 페로액셜(ferroaxial) 물질을 전환하는 방법을 발견해, 차세대 비휘발성 데이터 저장 기술의 길을 열었다. 독일 막스플랑크연구소(MPSD)와 옥스퍼드대 공동 연구진이 원형 편광 테라헤르츠(THz) 빛을 이용해 초안정 '페로액셜' 물질을 제어하는 데 성공했다고 사이테크 데일리가 지난 11일(현지시간) 보도했다. 현대 사회의 모든 디지털 정보는 0과 1의 이진 코드로 저장된다. 물리적으로 두 가지 안정된 상태를 오가는 물질이라면, 이론적으로는 데이터 저장 장치로 활용할 수 있다. 원형 편광 테라헤르츠 빛을 이용한 이번 연구는 기존 하드디스크나 메모리 반도체의 한계를 넘어서는 차세대 비휘발성 메모리로 이어질 가능성을 제시했다. 자성·전기장 영향 받지 않는 새로운 물질 기존 페로자성체나 강유전성체는 외부 자극에 의해 자기나 전기 분극이 쉽게 바뀌어 정보 저장에 활용돼 왔지만, 강한 자기장 등 외부 환경에 취약하고 장기 안정성에도 한계가 있었다. 반면 새롭게 주목받는 페로액셜 물질은 전기 쌍극자들이 소용돌이 형태로 배열돼 시계 방향과 반시계 방향 두 상태를 가질 수 있다. 이러한 구조는 외부 자기장이나 전기장의 영향을 거의 받지 않아 매우 안정적이지만, 제어가 어려워 응용 연구는 제한적이었다. 연구진은 루비듐 철 이몰리브데이트[RbFe(MoO₄)₂] 결정에 원형 편광된 테라헤르츠 펄스를 가해 전기 쌍극자의 회전 방향을 자유롭게 바꾸는 데 성공했다. 주저자인 치양 젱(Zhiyang Zeng)은 "테라헤르츠 펄스가 결정 격자 내 이온을 원형으로 진동시키며 인공적인 '유효장'을 만들어낸다"며 "이 장이 페로액셜 상태를 자석이나 전기장처럼 전환시킨다"고 설명했다. 초고속·고안정 데이터 저장의 새 가능성 공동 연구자인 미하엘 페르스트(Michael Först)는 "원형 편광의 방향(헬리시티)을 조절함으로써 전기 쌍극자의 회전 상태를 선택적으로 안정화할 수 있다"며 "이는 두 가지 상태를 이용한 정보 저장을 가능하게 한다"고 밝혔다. 그는 "페로액셜 물질은 전기 탈분극이나 누설 자기장 문제에서 자유롭기 때문에 안정적이고 비휘발성 데이터 저장 매체로서 매우 유망하다"고 강조했다. 연구를 총괄한 안드레아 카발레리(Andrea Cavalleri) 박사는 "이번 성과는 초고속 정보 저장을 위한 새로운 물리적 플랫폼을 제시한 것"이라며 "2017년 우리 연구진이 처음 구현한 '원형 포논장(circular phonon field)'이 이처럼 새로운 물질 제어 자원으로 발전하고 있다"고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 사이언스(Science) 10월 9일자에 '빛으로 제어하는 비휘발성 재기록형 페로액셜 전환 기술(Photo-induced nonvolatile rewritable ferroaxial switching)'(DOI: 10.1126/science.adz5230)이라는 제목으로 게재됐다. 연구는 막스플랑크양자물질대학원과 옥스퍼드대의 협력으로 진행됐으며, 독일연방연구재단(DFG)의 'CUI: 첨단 물질 영상화(Advanced Imaging of Matter)' 프로젝트와 자유전자레이저과학센터(CFEL)의 지원을 받았다.
- 산업
2025-10-13 20:22:00
[신소재 신기술(170)] 경희대, '2차원 바일 준금속'서 원형 감광 기전 효과 세계 첫 입증

경희대학교 연구진이 차세대 양자소자 구현을 위한 중요한 단서를 세계 최초로 규명했다. 경희대는 21일 최석호 응용물리학과 고황 명예교수 연구팀이 '2차원 바일(Weyl) 준금속'에서 원형 감광 기전 효과(Circular Photogalvanic Effect, CPGE)가 발생한다는 사실을 입증했다고 밝혔다. 최교수 팀은 세계 최초로 금을 이온주입해 '위상 준금속(Topological semimetal)'인 '디락 준금속(Dirac semimetal)'을 '바일 준금속(Weyl semimetal)으로 영구상전이(phase transition)하는 방법을 개발했다. 바일 준금속(Weyl semimetal)은 최근 몇 년 사이 물리학과 재료과학 분야에서 주목받고 있는 차세대 양자 물질로, 고체 내 전자의 움직임이 고에너지 물리학의 이론적 입자 중 하나인 '바일 페르미온(Weyl fermion)'과 유사한 특성을 보이는 물질이다. 바일 준금속은 결정 구조 안에서 전자의 에너지와 운동량이 특정한 점(바일 노드)에서 선형적으로 교차하는 특성을 갖는다. 이 선형 교차점은 고체 내에서 마치 '질량이 없는 입자'처럼 움직이는 전자를 만들어낸다. 이러한 입자는 이론상 고에너지 물리에서 제안된 바일 페르미온에 해당한다. 다시 말하면, 바일 준금속은 내부 전자가 거의 질량이 없는 상태처럼 움직이며, 자기장의 세기와 방향에 극도로 민감한 양자물질이다. 이러한 전자 이동 특성 덕분에 정밀 자기장 센서, 초고속 전자소자, 나노소자 등 차세대 전자·광전자 기술에서 그래핀을 이을 유력한 후보로 주목받고 있다. 이 물질은 스마트폰과 자기공명영상(MRI) 장치 등 다양한 뷴야에 쓰이는 자기 측정 센서를 정밀하게 만들 수 있다. 특히 바일 준금속은 고유한 양자 역학적 현상들을 기반으로 양자소자 구현 가능성이 제기되며 세계 각국의 연구 경쟁이 치열하게 전개되는 분야다. '위상 물질'은 2차원 물질인 '그래핀'을 대용할 물질로 세계 연구자들의 이목을 집중시키고 있다. 이를 위한 기초 연구는 호라발히 ㅈ니행됐지만 으용ㅇ 연구는 상대적으로 저조한 실정이다. 또한 디락 준금속의 온도를 저온으로 낮추거나 압력을 크게 올릴 경우, 바인 준금속으로 상전이 된다는 연구 결과는 많이 보도횄지만, 소자활용에는 별다른 도움이 되지 못했다. 온도나 압력이 이전으로 바뀌면 원래의 디락 준금속 상태로 돌아갔기 때문이다. 연구팀은 이 가운데 바일 준금속의 핵심 양자 특성 중 하나인 원형 감광 기전 효과에 주목했다. 이 효과는 회전 편광된 빛이 특정한 방향의 전류를 유도하는 현상으로, 지금까지는 오직 3차원 바일 준금속에서만 실험적으로 확인된 바 있다. 경희대 연구진은 이를 2차원 구조로 구현하고자, 두께가 10나노미터(㎚) 이하인 초박막 위상 준금속을 제작해 2차원 바일 준금속으로 활용했다. 이후 회전하는 빛을 비추는 실험을 통해, 빛의 편광 방향에 따라 전류 흐름이 달라지는 CPGE 현상이 명확히 관측됐다. 최 교수는 "기존 3차원 구조는 부피가 크고 두꺼워 소형화와 집적화에 한계가 있었지만, 2차원 구조는 얇고 유연해 초소형 소자 개발에 유리하다"며, "이번 연구는 향후 양자정보처리, 스핀 기반 광전소자 등 핵심 기술 구현에 결정적 기초를 제공할 것"이라고 강조했다. 위상 물질인 디락 준금속을 간단하게 바일 준금속으로 영구상전이 시키고, 같은 물질의 다른 상들이 계면 등을 형성해 소자응용이 가능해졌다는 것이 이번 연구의 핵심 내용이다. 연구팀은 위상물질의 양자물성을 기반으로 실용적인 소자를 개발하려는 목표도 갖고 있다. 연구팀은 이번 성과가 고성능 에너지 변환 장치, 고감도 광전자 센서, 양자컴퓨팅 소자 개발 등 미래 지향적 기술의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업 지원을 통해 진행됐으며, 경희대 최석호 교수, 이원준 석사과정생(공동 제1저자)을 중심으로 울산대학교, 호주국립대학교(ANU), 호주 울런공대학교(University of Wollongong) 등의 공동 연구진이 참여했다. 연구 결과는 재료물리 분야의 권위 있는 국제 학술지 '머터리얼스 투데이 피직스(Materials Today Physics)' 최신호에 게재됐다.
- IT/바이오
2025-04-21 14:06:00