자기 스커미온(skyrmion)은 수십 nm정도의 크기의 소용돌이 자기구조로 고밀도 자기 메모리 소자에 응용될 것으로 기대된다. 최근 연구성과에 의하면 자기 스커미온은 어느 특정 결정구조를 가진 자성체에서 보편적으로 관측된다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 어떤 자성체라도 두께가 수 십nm의 박막을 가공하기에는 한계가 있어, 자기 스커미온을 관측할 수 있는 온도영역이 수 켈빈폭 정도(망간 실리콘(MnSi)의 경우 27-29K)로 한정적이다. 자성체가 이 온도영역을 벗어나면 자기 스키미온이 별도의 자기구조로 변화하여 성질을 잃게 되기 때문에, 기초 및 응용연구부문에서 자기 스커미온을 관측할 수 있는 온도영역을 확대하는 것이 과제이다.

연구진은 본래 고온 고압환경 하서 안정적으로 존재하는 다이아몬드가 상온 대기 중에서 준 안정적으로 존재하고 있다는 사실에 착안하여, 자기 스커미온을 넓은 온도영역에서 발현시키 위해 ‘급랭’법에 착안하였다. 탄소 원자의 집합체가 만든 결정은 흑연과 다이아몬드와 같이 여러 가지 구조를 가지고 있다. 다이아몬드는 맨틀 중의 고온 고압 환경 하에서 안정적으로 존재하며, 천천히 지표로 운반되는 도중에 상온 대기 중에서 안정적인 형태인 흑연으로 변화한다. 한편, 화산의 분화로 인해 지표로 단기간에 운반되어 급랭되는 경우에는 흑연으로 변하지 않고 다이아몬드의 형태로 준 안정적으로 유지된다. 이에 통상 한정적 온도 영역에서 관측되지 않고, 냉각하면 별도의 안정상(원뿔꼴)으로 변하는 자기 스커미온이 급랭하면 원뿔꼴로 변하지 않고 넓은 온도영역에서 관측될 수 있는 것이 아닌지 추측하였다. 

연구진은 자기 스커미온을 형성하는 가장 대표적인 자성체로 알려진 MnSi를 이용해 홀저항(Hall resistance)이 급랭에 따라 어떻게 변하는지를 조사하였다. 자기 스키미온이 형성된 자성체 중 유도전자(전기 전도를 담당하는 전자)는 마치 자장 중에 있는 것과 같은 운동을 하며 홀 저항을 발생시키는 것으로 알려져 있다. 연구진은 펄스 전류에서 시료를 순간적으로 가열한 후 일어나는 열의 확산을 이용하여 1초간 500K 정도 변화하는 급랭을 일으켜, 그 후 홀 저항률을 측정해 자기 스커미온을 검출하였다. 

통상적으로 원뿔상이 안정상인 자기 스커미온이 형성되지 않는 온도 10K, 자장 0.22테슬라(T)의 조건 하에서 펄스폭이 0.1초의 전류를 인가하여 급가열 및 급랭을 시험한 결과 홀 저항이 서서히 냉각(원뿔형)하는 것(2nΩ cm)과는 다른 수치(약 30 nΩ cm)가 일어난다는 것을 확인하였다.

이는 펄스 전류인가의 온도상승에 따라 시료가 자기 스커미온 안정상에 도달하여, 자기 스커미온이 생성된 후 펄스 전류인가 완료 후 일어나는 냉각과정에서 보다 안정적으로 원뿔상의 변화를 방해하여, 자기 스커미온이 준안정상으로 유지된다는 것을 의미한다. 이렇게 생성된 자기 스커미온은 안정상이 광범위한 온도영역 (23K이하)에서도 준안정상으로 존재한다는 것을 확인하였다.

또한 상평형에 대해서도 상세히 조사한 결과, 자기 스커미온의 안정성과 준안정상이 연결되어 있지 않고, 양쪽이 분단되어 있는 간격의 온도대역 (23K~27K)에서 자기 스커미온이 장시간 존재하지 않는다는 것을 예상할 수 있었다. 이 예상대로 시료가 이 온도영역에서 가열되고 펄스 전류를 10초간 인가하면, 준안정상에 존재하고 있는 전기 스커미온이 원뿔형으로 변한다는 사실을 확인하였다. 이러한 자기 스커미온의 생성용 펄스 전류와 제거용 펄스 전류를 조합하여 자기 스커미온 상태를 반복적으로 생성 및 제거할 수 있게 되었다. 이처럼 적정한 펄스전류를 이용하여 불휘발성 스커미온을 생성 및 제거하는 것은 처음으로 성공하였다.

이 실험에서는 5K~23K의 시료 전체에 걸쳐 전류 펄스를 인가하여, 자기 스커미온이 일제히(100억개 정도) 생성 및 제거하는데 성공하였다. 자기 스커미온을 메모리 소자로 응용하기 위해서는 일반적으로 개별 혹은 매우 소수의 자기 스커미온을 생성 및 제거할 필요가 있다. 본 연구를 통해 향후 상온 이상의 전기 스커미온의 생성 및 제거를 이용하여 상온에서 동작하는 메모리 소재 실현에 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다. 

본 연구성과는 다음 논문에서 자세히 확인할 수 있다. Oike, Akiko Kikkawa, Naoya Kanazawa, Yasujiro Taguchi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura, Fumitaka Kagawa, "Interplay between topological and thermodynamic stability in a metastable magnetic skyrmion lattice", Nature Physics, doi: 10.1038/NPHYS3506 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』