▲ (a) 합성 반강자성체(SAF) 구조와 스핀파 전파를 위한 소자 개략도. 마이크로파 안테나(CPW)를 통해 스핀파를 생성 및 검출. (b) 실제 제작된 나노 소자 광학 이미지. 두 안테나 사이에서 스핀파가 전파되며, 주파수 응답을 측정. 안테나와 자기장의 상대적 방향에 따른(c) 광학 마그논, (d) 음향 마그논 생성과 스핀 회전 개략도.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

스마트폰으로 게임이나 영상을 오래 보면 발열이 심해지는 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 기술 원리가 제시됐다. 전자 대신 ‘자석의 진동’으로 신호를 처리하는 방식으로, 전력 소모와 발열을 동시에 줄이면서도 초고속 신호 제어가 가능한 길이 열렸다.

KAIST 물리학과 김갑진 교수 연구팀은 자성 물질 내부에서 발생하는 미세한 진동인 ‘스핀파(Spin wave)’를 활용해 나노 크기에서 신호의 주파수를 순간적으로 크게 바꾸는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 'Nature Communications'에 게재됐다.

스핀파는 자석 내부에서 전자의 스핀(자기적 성질)이 집단적으로 흔들리며 만들어지는 파동으로, 이 에너지 단위는 ‘마그논(Magnon)’으로 설명된다. 연구팀은 이 스핀파를 활용해 기존 전자 기반 회로보다 훨씬 적은 에너지로 신호를 처리할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다.

연구의 핵심은 ‘모드 변환(mode hopping)’ 현상이다. 연구팀은 인공 반강자성체(SAF) 구조에서 스핀파가 두 가지 상태(음향 모드와 광학 모드) 사이를 특정 순간에 급격히 전환하는 현상을 세계 최초로 규명했다.

이 과정에서 주파수는 연속적으로 변화하는 것이 아니라, 일정 순간 ‘점프’하듯 급격히 바뀐다. 실제 실험에서는 5GHz 이상의 주파수 변화를 단번에 구현하는 데 성공했다.

특히 이러한 제어는 복잡한 전자 회로 없이도 외부 자기장과 전력의 세기 조절만으로 가능하다. 이는 장치 구조를 단순화하면서도 전력 소모를 크게 줄일 수 있다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

연구팀은 이 현상이 ‘삼중-마그논 상호작용(three-magnon interaction)’ 과정에서 발생한다는 점도 밝혀냈다. 마그논이 하나에서 둘로 나뉘거나 다시 결합하는 과정에서 스핀파의 상태가 급격히 바뀌며, 이때 주파수 역시 동시에 변하는 것이다.

이번 기술은 단순한 주파수 제어를 넘어, ‘켜짐(1)과 꺼짐(0)’을 구분하는 스위치처럼 활용될 수 있어 차세대 반도체와 뉴로모픽 컴퓨팅에도 적용 가능하다.

또한 전자 대신 스핀을 활용하는 ‘스핀트로닉스’ 기반 정보처리 기술로 발전할 경우, 초저전력·고속 연산이 가능한 새로운 컴퓨팅 패러다임을 열 것으로 기대된다.

김갑진 교수는 “이번 연구는 이론에 머물러 있던 마그논 기반 정보처리 원리를 실제 나노 소자에서 구현하고 제어할 수 있음을 입증한 것”이라며 “향후 스핀파 기반 컴퓨팅과 통신 기술 발전의 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

전자 중심의 반도체 시대에서 ‘자석 진동 기반 정보처리’로의 전환 가능성을 보여준 이번 연구는, 발열과 전력 문제를 동시에 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다.

논문명은 Mode hopping via nonlinear magnon-magnon coupling in a synthetic antiferromagnet이다.