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[IT뉴스]2차원 반도체 쌓고 빛으로 자성 유도…차세대 양자소자 개발 '토대'

온카뱅크관리자

2026-10-12 11:47:27

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 <img alt="왼쪽부터 서민교 포스텍 물리학과 서민교 연구원, 김한별 GIST 물리·광과학과 석박사통합과정생, 신동빈 교수, 김동언 포스텍 물리학과 교수." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/dongascience/20261012113959923ejns.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="0jXTpBOcRB" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/dongascience/20261012113959923ejns.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 서민교 포스텍 물리학과 서민교 연구원, 김한별 GIST 물리·광과학과 석박사통합과정생, 신동빈 교수, 김동언 포스텍 물리학과 교수.
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 국내 연구팀이 자성이 없는 2차원 반도체를 2층으로 쌓고 빛을 비추는 것만으로 일시적인 자성을 유도하는 데 성공했다. 연구결과는 전자의 자기적 성질인 스핀(spin)을 제어해 전자의 직접 이동 없이도 정보를 저장·처리하는 '스핀트로닉스(spintronics)' 분야 등 차세대 양자소자에 활용될 것으로 기대된다.
 광주과학기술원(GIST)은 신동빈 물리·광과학과 교수팀과 김동언 포스텍 물리학과 교수팀이 공동으로 자성이 없는 2차원 반도체에 빛을 비춰 일시적인 자성을 유도하고 그 원리를 규명했다고 12일 밝혔다. 연구결과는 5일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
 전자의 움직임으로 작동하는 기존 전자소자는 발열과 정보처리 속도에 물리적인 한계가 있다. 스핀의 방향을 컴퓨터의 0과 1처럼 정보처리에 활용하면 전자의 이동 없이도 정보를 전송하거나 저장할 수 있다. 빛으로 스핀을 빠르게 제어하는 기술이 차세대 정보처리 소자에 활용될 것으로 주목받는 이유다.
 전자기파인 빛은 전기장의 진동 방향에 따라 여러 종류로 분류된다. 선편광은 빛이 진행할 때 전기장이 한 방향으로만 왕복하며 진동하는 빛이고 원형 편광은 진행에 따라 전기장의 방향이 원을 그리며 회전하는 빛이다. 전자 스핀을 제어하거나 변화할 때는 주로 원형 편광이 사용됐다. 일반적으로 회전 방향이 없는 선편광은 스핀을 제어할 수 없다고 여겨졌다.
 이후 일부 물질에서 원자를 원형으로 진동시키면 자기장이 발생하는 효과가 보고되면서 원자의 진동 자체가 자성을 유발하는 원인이 될 수 있다는 가능성이 제시됐다. 연구팀은 2층으로 이뤄진 반도체 구조에 존재하는 층간 진동이 자성을 만들 수 있는지 확인하는 실험을 설계했다.
 연구팀은 반도체를 두 층으로 쌓으면 층 사이의 한 층일 때와 다른 원자 진동이 나타날 수 있다는 점에 주목했다. 몰리브덴(Mo) 원자와 셀레늄(Se) 원자로 이루어진 2차원 반도체 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)을 두 층으로 쌓고 빛을 비췄을 때 나타나는 원자 진동을 분석했다.
 분석 결과 두 층이 서로 가까워졌다 멀어지는 '층간 호흡 진동'과 각 층 안에서 셀레늄 원자가 좌우로 움직이는 '셀레늄 신축 진동'이 함께 나타났다. 두 진동은 서로 다른 주기로 움직이면서 겹쳤고 원자들은 직선 운동보다 복합적인 움직임을 보였다.
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 <img alt="두 층으로 쌓은 반도체에 빛을 비춰 일시적인 자성을 유도하는 원리와 실험 결과. 왼쪽 그림은 자성이 없는 두 층짜리 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 반도체에 선편광을 비춰 자성을 유도하는 모습을 나타낸 개념도다. 오른쪽 위 그림은 빛을 받아 원자들이 진동하는 모습을 보여준다. 오른쪽 아래 그래프는 빛의 편광에 따라 나타나는 자성 신호를 측정한 결과로 원형 편광이 아닌 선편광을 비췄을 때(주황색)도 일시적인 자성 신호가 관측됐음을 보여준다. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/dongascience/20261012114001157djxl.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="pXBp8RZvJq" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/dongascience/20261012114001157djxl.jpg" width="658">
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 두 층으로 쌓은 반도체에 빛을 비춰 일시적인 자성을 유도하는 원리와 실험 결과. 왼쪽 그림은 자성이 없는 두 층짜리 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 반도체에 선편광을 비춰 자성을 유도하는 모습을 나타낸 개념도다. 오른쪽 위 그림은 빛을 받아 원자들이 진동하는 모습을 보여준다. 오른쪽 아래 그래프는 빛의 편광에 따라 나타나는 자성 신호를 측정한 결과로 원형 편광이 아닌 선편광을 비췄을 때(주황색)도 일시적인 자성 신호가 관측됐음을 보여준다. GIST 제공
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 연구팀은 층 안쪽과 바깥쪽 셀레늄 원자의 전하 분포에 차이가 있고 두 원자 진동이 원운동을 하면서 전자의 스핀에 자기장이 가해지는 효과가 나타나는 것을 확인했다. 예측한 자성이 실제로 나타나는지 확인하기 위해 단층과 2층으로 만든 MoSe2 반도체에 각각 선편광을 비추고 자성 신호를 비교했다.
 상온 측정 결과 단층 반도체에서는 선평광으로 인한 자성 신호가 나타나지 않았지만 2층짜리 반도체에서는 자성이 생겼을 때 나타나는 빛의 편광 회전 신호가 뚜렷하게 관측됐다. 2층으로 쌓으면 원형 편광이나 외부 자기장 없이 선편광만으로도 일시적인 자성을 유도할 수 있음을 확인했다. 층을 쌓는 것 자체가 새로운 자성 제어 수단이 될 수 있다는 점을 규명한 것이다.
 연구팀은 빛의 세기와 에너지, 반도체의 온도를 바꿔가며 자성 신호를 측정해 빛으로 유도된 자성이 어떤 조건에서 강하게 나타나는지도 확인했다. 빛의 세기가 강할수록 빛을 비춘 직후 나타나는 자성 신호가 커졌다. 온도를 낮추면 빛을 비춘 직후의 자성 신호가 약해지고 더 빠르게 감소했다.
 빛만으로 자성을 켜고 끌 수 있다면 외부 자석이나 전류 없이 빛으로 읽고 쓰는 초고속·저전력 자기 메모리, 스핀트로닉스 소자, 빛으로 제어하는 양자 정보 소자 등에 응용될 수 있다. 
 현재 유도되는 자성은 수십 피코초(ps, 10조분의 1초) 동안 짧기 때문에 이를 안정화·증폭하는 것이 실용화까지의 숙제다. 연구팀은 후속 연구에서 다른 소재로 실험을 확장하고 층을 쌓는 각도와 층수를 조절한 설계 방법 등을 탐구해 유도되는 자성의 크기와 지속시간을 늘려갈 계획이다.
 신 교수는 "빛이 일으킨 원자 진동과 층 사이의 상호작용이 자성을 유도하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다"며 "특히 원자 진동을 매개로 빛과 물질의 스핀을 연결할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다.
 김 교수는 "이론적으로 예측한 자성 유도 현상을 실제 2층 반도체에서 확인하고 원자 진동과 자성 신호의 관계를 실험적으로 살펴봤다"며 "이번 연구결과가 빛과 원자 진동을 이용해 물질의 자성을 제어하는 연구를 확장하는 계기가 되길 바란다"고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41467-026-77987-y
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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