스트레인트로닉스 작동 원리 세계 최초 실증… 초저전력 스핀소자 기반 마련

국제 공동연구로 자기 위상 결함의 응력 반응 첫 실시간 관찰

전남대학교(총장 정성택)는 신소재공학부 김태훈 교수 연구팀이 미국 에임스 국립연구소, 아이오와주립대와의 국제 공동연구를 통해, 외부 자기장 없이 응력(기계적 압력)만으로 나선형 자기 구조(helical magnetic phase)를 제어하는 새로운 물리 현상을 규명했다고 5월 8일 밝혔다.

이번 연구는 로렌츠 투과전자현미경(Lorentz TEM)을 이용해 나선형 자기 위상 내의 결함(topological magnetic defects)이 응력에 따라 어떻게 방향을 바꾸는지를 실시간으로 관찰하고 정량 분석한 세계 최초의 사례다. 기존에는 이론적으로만 제안됐던 현상을 실험적으로 입증한 것으로 평가받는다.

“절단-재결합”과 “전위 활주”로 나타나는 독특한 자기 구조 전환

연구팀은 나선 자기 위상의 방향 벡터(Q-vector)와 응력 방향 사이의 각도에 따라 임계 응력(critical stress)이 달라지고, 이에 따라 자기 위상 결함이 ‘절단-재결합(break-and-reconnect)’ 또는 ‘전위 활주 및 소멸(dislocation gliding-annihilation)’ 방식으로 자기 구조를 재편하는 현상을 발견했다. 이 과정은 금속의 소성변형과 유사하면서도 자기 물리 특유의 메커니즘을 따르는 매우 독특한 현상이다.

특히, 이러한 현상은 **응력에 의해 유도되는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)**의 이방성(anisotropy)에 의해 주도된다는 사실을 수치 시뮬레이션과 해석 모델을 통해 정량적으로 입증했다.

이 연구는 전자기장을 이용하지 않고 응력이라는 물리량만으로 자성 물질의 위상을 제어할 수 있는 ‘스트레인트로닉스(straintronics)’ 기술의 기반 원리를 세계 최초로 실증했다는 점에서 학술적, 기술적 의의가 크다. 향후 초저전력 스핀트로닉스 소자, 고밀도 비휘발성 메모리, 뉴로모픽 연산 소자 등 첨단 소자의 구현 가능성을 획기적으로 넓힐 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 세계 최고 권위 학술지인 『Physical Review Letters』(Impact Factor 8.1, JCR 상위 7.1%) 2025년 4월호에 게재되었으며, 논문 제목은 다음과 같다:

• 논문 제목: Topological Defect Mediated Helical Phase Reorientation by Uniaxial Stress
• 게재 저널: Physical Review Letters, 2025년 4월

김태훈 교수는 “응력 기반 자성 구조 제어 기술은 기존 자기장 기반 방식보다 훨씬 에너지 효율적이며, 향후 차세대 저전력 정보소자 설계의 물리적 기반으로 확장될 수 있다”고 설명했다.

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