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스핀트로닉스

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목차

1. 개요

스핀트로닉스는 전자의 스핀을 활용하여 정보 처리 및 저장 기술을 발전시키는 분야이다. 1980년대에 시작되어 강자성 금속에서 스핀 편광된 전자 주입과 거대 자기저항 현상이 발견되면서 연구가 활발해졌다. 스핀트로닉스 소자는 자기 디스크 읽기 헤드, MRAM, 스핀 밸브 등 대용량 저장 소자에 사용되며, 스핀 기반 트랜지스터와 레이스 트랙 메모리 등 미래 기술 개발도 진행되고 있다.

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스핀트로닉스
개요
분야응집물질물리학, 응용물리학
유형응집물질물리학
관련 학문자기학, 전자공학, 재료과학, 나노 기술
세부 분야
주요 내용전자의 스핀을 이용한 새로운 전자 소자 개발
활용 분야고집적, 고성능 메모리
초고속 연산 소자
스핀 양자 컴퓨터
역사
발견거대 자기 저항 효과 (1988년)
주요 효과 및 소자
주요 효과터널 자기 저항 (TMR)
자이로 자기 저항 (GMR)
스핀 주입
스핀 수송
스핀 트랜지스터
관련 소자자기저항 메모리 (MRAM)
스핀 밸브
자기 터널 접합 (MTJ)
스핀 트랜지스터
응용
주요 응용 분야하드 디스크 드라이브 (HDD)
자기 센서
메모리 소자 (MRAM, STT-MRAM)
스핀 논리 소자
스핀 양자 컴퓨팅
관련 학문 및 기술
관련 학문응집물질물리학
자기학
반도체 물리학
나노 기술
관련 기술박막 증착 기술
미세 가공 기술
스핀 분해 광전자 분광법 (Spin-resolved photoemission spectroscopy)

2. 역사

스핀트로닉스는 1980년대 고체 소자에서 스핀에 의존하는 전자의 수송 현상이 발견되면서 본격적으로 연구되기 시작했다. 1985년 존슨(Johnson)과 실스비(Silsbee)는 강자성 금속에서 일반 금속으로 스핀 편광된 전자가 주입되는 현상을 관찰했으며,[5][41][42] 1988년에는 알베르 페르(Albert Fert) 연구진[6][43]과 페터 그륀베르크(Peter Grünberg) 연구진[7][44]이 각각 독립적으로 거대 자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR) 효과를 발견했다. 이러한 발견들은 스핀트로닉스 분야 발전의 중요한 토대가 되었다.

스핀트로닉스의 기원은 1970년대까지 거슬러 올라가는데, 메살베이(Meservey)와 테드로우(Tedrow)가 개척한 강자성체/초전도체 터널링 실험[8][45]과 줄리에레(Julliere)의 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)에 대한 초기 실험[8][46] 등이 그 시초로 여겨진다.

반도체를 스핀트로닉스에 활용하려는 연구는 1990년 닷타(Datta)와 다스(Das)가 이론적으로 제안한 스핀 전계 효과 트랜지스터(spin field-effect transistor)[9][47]에서 중요한 전환점을 맞이했다.

2012년에는 IBM 소속 과학자들이 전자의 스핀 회전을 동기화하여 1나노초 이상 지속시키는 데 성공했다고 발표했다.[48] 이는 이전 연구 결과보다 30배 이상 향상된 것으로, 전자의 스핀을 이용한 정보 처리 기술 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받는다.[49]

2. 1. 초기 연구

스핀트로닉스는 1980년대에 고체 소자에서 스핀 의존적 전자 수송 현상에 대한 발견에서 시작되었다. 하지만 그 기원은 더 이전으로 거슬러 올라간다. 1960년대에는 엠마누엘 라슈바가 전기 쌍극자 스핀 공명에 대한 이론적 제안을 하였다.[10] 1970년대에는 Meservey와 Tedrow가 강자성체/초전도체 터널링 실험을 개척하였고,[8][45] Julliere는 자기 터널 접합에 대한 초기 실험을 수행하였다.[8][46]

1980년대에는 중요한 발견들이 이어졌다. 1985년 Johnson과 Silsbee는 강자성 금속에서 일반 금속으로 스핀 편광된 전자가 주입되는 현상을 관찰하였다.[5][41][42] 그리고 1988년에는 알베르 페르 연구진[6][43]과 페터 그륀베르크 연구진[7][44]이 각각 독립적으로 거대 자기저항 효과를 발견하였다.

반도체를 스핀트로닉스에 이용하려는 연구는 1990년 닷타와 Das가 제안한 스핀 전계 효과 트랜지스터 이론[9][47]에서 본격적으로 시작되었다.

2. 2. 반도체 스핀트로닉스

반도체를 스핀트로닉스에 이용하려는 시도는 1990년 닷타와 Das가 이론적으로 제안한 스핀 전계 효과 트랜지스터[9][47]와 1960년 라슈바가 이론적으로 제안한 전기 쌍극자 스핀 공명[10]에서 시작되었다.

도핑된 반도체 재료는 희석된 자성을 나타낼 수 있다. 최근 몇 년 동안, 산화 아연(ZnO) 기반 희석 자성 산화물(DMO) 및 이산화 티타늄(TiO2) 기반 DMO를 포함한 희석 자성 산화물(DMO)에 대한 많은 실험 및 계산 연구가 이루어졌다.[24][25] 또한, 망간(Mn)이 도핑된 비소화 갈륨(Ga,Mn)As)과 같은 비산화물 강자성 반도체 소스[26], 터널 장벽을 이용한 계면 저항 증가[27], 또는 핫 전자 주입[28] 등의 방법으로 스핀을 주입하려는 연구가 진행되고 있다.

반도체 내에서 스핀 상태를 감지하기 위해 여러 기술이 개발되었다.

  • 빛의 투과 또는 반사 시 나타나는 패러데이/커 효과를 이용하는 방법[29]
  • 전기 발광의 원편광을 분석하는 방법[30]
  • 비국소적 스핀 밸브 구조를 이용하는 방법 (이는 금속에서 Johnson과 Silsbee가 사용한 방식을 응용한 것이다)[31]
  • 탄도 스핀 필터링 방법[32]


특히 탄도 스핀 필터링 기술은 스핀-궤도 상호작용이 약하고 재료적 문제가 있는 실리콘에서 스핀 수송을 구현하는 데 사용되었다.[33]

반도체에서 스핀 수송을 명확하게 증명하는 것은 중요하다. 외부 자기장이나 자기 접점에서 발생하는 누설 자기장은 반도체에서 큰 홀 효과나 거대 자기저항을 유발할 수 있는데, 이는 스핀 밸브 효과와 유사하게 보일 수 있기 때문이다. 따라서 반도체에서 스핀 수송의 결정적인 증거는 주입된 스핀 방향과 다른 방향의 자기장 하에서 스핀의 세차 운동 및 위상 감소를 관찰하는 것이다. 이를 한레 효과라고 한다.

2012년에는 IBM 소속 과학자들이 1나노초 이상 지속되는 동기화된 전자의 영구적인 스핀 회전을 구현하는 데 성공했다.[48] 이는 이전 연구 결과보다 30배 이상 향상된 것이며, 현대 프로세서의 클럭 주기보다도 긴 시간이다. 이 연구는 전자의 스핀을 이용한 정보 처리 기술 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받는다.[49]

2. 3. 최근 발전

2012년, IBM의 과학자들은 전자의 스핀 회전을 동기화하여 1나노초 이상 지속시키는 데 성공했다.[48] 이는 이전 결과보다 30배 향상된 것이며, 현대 프로세서의 클럭 주기보다도 긴 시간이다. 이 연구 결과는 전자의 스핀을 정보 처리에 활용하는 연구에 새로운 가능성을 제시했다.[49]

3. 이론

스핀트로닉스는 전자의 스핀 상태를 제어하고 활용하는 기술 분야이다. 전자는 기본적인 물리량으로 스핀, 전하, 질량을 가지며, 양자역학적으로 기술된다. 파울리 배타 원리에 따라 두 전자는 동일한 양자 상태를 가질 수 없으며, 외부 자기장 하에서 전자는 주로 스핀 업(+)과 스핀 다운(-)의 두 가지 상태로 존재한다. 일반적으로 스핀 업 상태가 스핀 다운 상태보다 낮은 에너지를 가진다. 전자는 광자 에너지를 흡수하여 궤도를 바꾸거나, 특정 주파수의 광자와 상호작용하여 스핀 상태가 뒤집히고 스핀-궤도 결합을 통해 에너지를 방출하며 스핀 결맞음(coherence)을 잃을 수 있다.

스핀트로닉스 소자를 구현하기 위한 핵심 요건은 스핀 편극된 전자의 흐름, 즉 특정 스핀 방향을 가진 전자가 더 많은 전류를 생성하고, 이러한 스핀 편극 상태를 감지할 수 있는 시스템을 구축하는 것이다. 드미트리 그리네비치(Dmitri Grinevich)는 초기 스핀 편극 전자 이론 발전에 기여한 과학자 중 한 명으로, 그의 연구는 초기 스핀트로닉스 소자 개발의 이론적 기반을 마련했다.

스핀 편극 전류를 생성하는 가장 간단한 방법 중 하나는 전류를 강자성 물질에 통과시키는 것이다. 강자성체 내부의 스핀 정렬 특성을 이용하여 특정 스핀 방향의 전자 흐름을 유도할 수 있다. 이 원리를 응용한 대표적인 소자가 거대 자기저항(GMR) 소자이다. 일반적인 GMR 소자는 비자성 물질로 이루어진 얇은 스페이서(spacer) 층으로 분리된 최소 두 개의 강자성체 층으로 구성된다. 두 강자성체 층의 자화 방향이 나란할 경우 전기 저항이 낮아져 전류가 쉽게 흐르고, 자화 방향이 반대일 경우 저항이 높아진다. 이러한 저항 변화를 이용하여 자기장을 감지하거나 정보를 저장하는 데 활용된다. GMR 소자는 전류가 흐르는 방향에 따라 층과 평행하게 흐르는 CIP(Current-In-Plane) 방식과 층에 수직으로 흐르는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane) 방식으로 나뉜다.

3. 1. 스핀 (물리학)

전자의 스핀은 궤도 운동에 의한 각운동량과는 별개인, 전자 고유의 각운동량이다. 어떤 축을 기준으로 측정한 전자 스핀의 크기는 항상 \tfrac{1}{2}\hbar 값을 가지는데, 이는 전자가 스핀-통계 정리에 따라 페르미온으로 행동한다는 것을 의미한다. 궤도 각운동량처럼 스핀도 자기 모멘트를 가지며, 그 크기는 다음과 같이 주어진다.

:\mu=\tfrac{\sqrt{3}}{2}\frac{q}{m_e}\hbar

고체 물질 내에서는 다수 전자의 스핀이 상호작용하여 물질의 자기적, 전자적 특성에 영향을 미친다. 예를 들어, 강자성체는 이러한 스핀 상호작용을 통해 영구적인 자기 모멘트를 갖게 된다.

대부분의 물질에서는 전자 스핀이 '업(up)' 상태와 '다운(down)' 상태로 동일하게 분포하며, 스핀 상태에 따라 전자의 이동 특성이 달라지지 않는다. 하지만 스핀트로닉스 소자는 스핀 '업' 또는 '다운' 상태의 전자가 더 많은, 즉 스핀 편극된 전자 집단을 만들거나 조작해야 한다. 스핀에 의존하는 특정 물리량 X의 편광 정도(Polarization) PX는 다음과 같이 정의된다.

:P_X=\frac{X_{\uparrow}-X_{\downarrow}}{X_{\uparrow}+X_{\downarrow}}

여기서 X↑와 X↓는 각각 스핀 업과 스핀 다운 상태에 대한 물리량 X의 값을 나타낸다.

순수한 스핀 편광 상태는 스핀 업과 다운 상태 사이에 에너지 차이를 만들어 얻을 수 있다. 대표적인 방법으로는 물질을 강한 자기장에 두거나(제만 효과), 강자성체 내부의 교환 에너지를 이용하거나, 시스템을 의도적으로 비평형 상태로 만드는 방법 등이 있다. 이렇게 만들어진 비평형 스핀 상태가 유지될 수 있는 시간을 스핀 수명(\tau)이라고 한다.

전자가 확산하는 전도체에서 스핀 확산 길이(\lambda)는 비평형 스핀 상태가 퍼져나갈 수 있는 거리를 의미한다. 금속 내 전도 전자의 스핀 수명은 일반적으로 1ns 미만으로 매우 짧다. 따라서 이 스핀 수명을 기술적으로 의미 있는 시간까지 늘리는 것이 스핀트로닉스 연구의 중요한 과제 중 하나이다.

스핀 업, 스핀 다운 전자와 결과적으로 형성된 스핀 편광된 전자 집단을 보여주는 그림. 스핀 주입기 내부에서는 편광이 일정하게 유지되지만, 외부로 나오면 스핀 업/다운 집단이 평형 상태로 돌아가면서 편광이 지수적으로 감소하여 0에 가까워진다.


스핀 편광 상태가 사라지는 주된 원인으로는 스핀 플립 산란(spin-flip scattering)과 스핀 디페이징(spin dephasing)이 있다. 스핀 플립 산란은 고체 내에서 전자가 다른 입자와 충돌하며 스핀 방향이 뒤집히는 현상이다 (예: 스핀 업 → 스핀 다운). 반면, 스핀 디페이징은 같은 스핀 상태를 가진 전자들이라도 각기 다른 속도로 스핀 세차 운동을 하면서 시간이 지남에 따라 전체적인 스핀 편광이 약해지는 현상을 말한다. 하지만 특정 구조, 예를 들어 저온 상태의 반도체 양자점에서는 스핀 디페이징이 억제되어 수 밀리초(ms)에 달하는 긴 스핀 수명이 관측되기도 한다.

초전도체는 거대 자기저항(GMR) 효과를 증대시키고, 스핀 수명을 늘리며, 에너지 손실 없는 스핀 전류를 가능하게 하는 등 스핀트로닉스의 주요 현상들을 향상시키는 데 기여할 수 있다.[11][12]

금속에서 스핀 편광된 전류를 만드는 가장 간단한 방법은 전류를 강자성 물질에 통과시키는 것이다. 이 원리를 가장 흔하게 응용한 것이 거대 자기저항(GMR) 소자이다. 일반적인 GMR 소자는 비자성 스페이서(spacer) 층으로 분리된 두 개 이상의 강자성체 층으로 구성된다. 두 강자성체 층의 자화 방향이 나란할 때는 전기 저항이 낮아져 전류가 잘 흐르고, 자화 방향이 반대일 때는 저항이 높아진다. 이러한 저항 변화를 이용해 자기장 센서 등을 만들 수 있다.

GMR 소자는 전류 방향에 따라 두 가지 방식으로 구현된다.

  • CIP (Current-In-Plane): 전류가 층과 평행하게 흐르는 방식.
  • CPP (Current-Perpendicular-to-Plane): 전류가 층에 수직으로 흐르는 방식.


금속 기반의 다른 스핀트로닉스 소자들은 다음과 같다.

  • 터널 자기저항 (TMR): 강자성체 층 사이에 얇은 절연체 층을 삽입하여, 전자가 양자역학적 터널링 효과를 통해 절연층을 통과하게 만든 소자. CPP 구조와 유사하게 작동한다.
  • 스핀 전달 토크 (STT): 스핀 편광된 전류를 이용하여 소자 내 강자성 전극의 자화 방향을 직접 제어하는 기술.
  • 스핀파(Spin wave) 논리 소자: 정보 전달 매체로 스핀파의 위상을 이용하며, 스핀파의 간섭이나 산란 현상을 통해 논리 연산을 수행한다.

3. 2. 스핀 편극

전자의 스핀은 궤도 운동에 의한 각운동량과 별개인 고유한 각운동량이다. 임의의 축을 따라 전자의 스핀 투영 크기는 \tfrac{1}{2}\hbar이며, 이는 전자가 스핀-통계 정리에 따라 페르미온으로 작용함을 의미한다. 궤도 각운동량처럼 스핀도 관련된 자기 모멘트를 가지며, 그 크기는 다음과 같다.

:\mu=\tfrac{\sqrt{3}}{2}\frac{q}{m_e}\hbar.

고체 내 많은 전자의 스핀은 함께 작용하여 재료의 자기적 및 전자적 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 강자성체와 같이 영구적인 자기 모멘트를 부여할 수 있다.

많은 재료에서 전자 스핀은 업(up) 및 다운(down) 상태 모두에서 동일하게 존재하며, 스핀에 따라 전송 특성이 달라지지 않는다. 스핀트로닉스 장치는 스핀 업 또는 스핀 다운 전자가 과도하게 생성되도록 스핀 편광된 전자의 집단을 생성하거나 조작해야 한다. 스핀 의존적 특성 X의 편광(P_X)은 다음과 같이 쓸 수 있다.

:P_X=\frac{X_{\uparrow}-X_{\downarrow}}{X_{\uparrow}+X_{\downarrow}}.

여기서 X_{\uparrow}와 X_{\downarrow}는 각각 스핀 업과 스핀 다운 상태에 대한 특성 값을 나타낸다.

순 스핀 편광은 스핀 업과 스핀 다운 사이에 평형 에너지 분할을 생성하여 얻을 수 있다. 방법에는 물질을 큰 자기장(제만 효과)에 넣는 것, 강자성체에 존재하는 교환 에너지 또는 시스템을 평형에서 벗어나게 하는 것이 포함된다.

이러한 비평형 집단을 유지할 수 있는 시간은 스핀 수명(\tau)이라고 한다. 확산 전도체에서 스핀 확산 길이(\lambda)는 비평형 스핀 집단이 전파될 수 있는 거리로 정의할 수 있다. 금속 내 전도 전자의 스핀 수명은 비교적 짧다(일반적으로 1 나노초 미만). 중요한 연구 분야는 이 수명을 기술적으로 관련된 시간 척도로 연장하는 데 전념하고 있다.

스핀 편광 집단의 붕괴 메커니즘은 다음과 같이 광범위하게 분류할 수 있다.

  • 스핀 플립 산란(Spin-flip scattering): 고체 내부에서 스핀을 보존하지 않는 과정이므로 들어오는 스핀 업 상태를 나가는 스핀 다운 상태로 전환할 수 있다.
  • 스핀 디페이징(Spin dephasing): 동일한 스핀 상태를 가진 전자의 집단이 전자 스핀 세차 운동의 다른 속도로 인해 시간이 지남에 따라 편광이 약해지는 과정이다. 제한된 구조에서 스핀 디페이징은 억제될 수 있으며, 저온에서 반도체 양자점에서 수 밀리초의 스핀 수명으로 이어지기도 한다.


초전도체는 거대 자기저항 효과, 스핀 수명 및 무손실 스핀 전류와 같은 스핀트로닉스의 주요 효과를 향상시킬 수 있다.[11][12]

금속에서 스핀 편광된 전류를 생성하는 가장 간단한 방법은 전류를 강자성 물질을 통과시키는 것이다. 이 효과의 가장 일반적인 응용 분야는 거대 자기저항(GMR) 장치와 관련이 있다. 일반적인 GMR 장치는 스페이서 층으로 분리된 두 개 이상의 강자성 물질 층으로 구성된다. 강자성층의 두 자화 벡터가 정렬되면 전기 저항이 더 낮아진다(따라서 일정한 전압에서 더 높은 전류가 흐름). 강자성층이 정렬되지 않은 경우보다. 이는 자기장 센서를 구성한다.

GMR의 두 가지 변형이 장치에 적용되었다.

1. CIP (Current-In-Plane): 전기 전류가 층에 평행하게 흐르는 방식.

2. CPP (Current-Perpendicular-to-Plane): 전기 전류가 층에 수직인 방향으로 흐르는 방식.

기타 금속 기반 스핀트로닉스 장치:

  • 터널 자기 저항 (TMR), 여기서 CPP 수송은 강자성층을 분리하는 얇은 절연체를 통해 전자의 양자역학적 터널링을 사용하여 달성된다.
  • 스핀 전달 토크, 여기서 스핀 편광된 전자의 전류는 장치에서 강자성 전극의 자화 방향을 제어하는 데 사용된다.
  • 스핀파 논리 장치는 위상에서 정보를 전달한다. 간섭 및 스핀파 산란은 논리 연산을 수행할 수 있다.

3. 3. 스핀 수명 및 확산

많은 재료에서 전자 스핀은 업(up) 상태와 다운(down) 상태 모두 동일하게 존재하며, 스핀 상태에 따라 전송 특성이 달라지지 않는다. 스핀트로닉스 장치는 스핀 업 또는 스핀 다운 전자가 과도하게 존재하는, 즉 스핀 편광된 전자의 집단을 만들거나 조작해야 한다. 스핀에 의존하는 특정 물리량 X의 편광(P_X)은 다음과 같이 정의된다.

:P_X=\frac{X_{\uparrow}-X_{\downarrow}}{X_{\uparrow}+X_{\downarrow}}

여기서 X_{\uparrow}와 X_{\downarrow}는 각각 스핀 업과 스핀 다운 전자에 대한 물리량 X의 값을 나타낸다.

순수한 스핀 편광은 스핀 업과 스핀 다운 상태 사이에 에너지 차이를 만들어 얻을 수 있다. 예를 들어, 물질을 강한 자기장 안에 두거나(제만 효과), 강자성체에 존재하는 교환 에너지를 이용하거나, 시스템을 의도적으로 비평형 상태로 만드는 방법이 있다. 이렇게 만들어진 비평형 스핀 상태가 유지될 수 있는 시간을 '''스핀 수명'''(\tau)이라고 한다.

확산 전도체에서 '''스핀 확산 길이'''(\lambda)는 비평형 스핀 집단이 퍼져나갈 수 있는 거리를 의미한다. 금속 내 전도 전자의 스핀 수명은 보통 1 나노초 미만으로 비교적 짧다. 따라서 이 수명을 기술적으로 의미 있는 시간 척도까지 늘리는 것이 중요한 연구 주제이다.

스핀 편광된 상태가 사라지는 주요 원인은 스핀 플립 산란(spin-flip scattering)과 스핀 디페이징(spin dephasing, 위상 흐트러짐)으로 나눌 수 있다.

  • '''스핀 플립 산란''': 고체 내부에서 전자가 산란하면서 스핀 방향을 바꾸는 과정이다. 예를 들어, 스핀 업 상태의 전자가 산란 후 스핀 다운 상태로 바뀔 수 있다.
  • '''스핀 디페이징''': 같은 스핀 상태를 가진 전자들이라도 각기 다른 속도로 세차 운동을 하면서 시간이 지남에 따라 전체적인 스핀 편광이 약해지는 현상이다.


제한된 구조에서는 스핀 디페이징을 억제할 수 있다. 예를 들어, 저온의 반도체 양자점에서는 스핀 수명이 수 밀리초에 달하기도 한다.

초전도체는 거대 자기저항 효과, 스핀 수명 연장, 손실 없는 스핀 전류 등 스핀트로닉스의 주요 효과들을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있다.[11][12]

3. 4. 붕괴 메커니즘



스핀트로닉스 장치는 스핀 업 또는 스핀 다운 전자가 과잉으로 존재하는, 즉 스핀 편극된 전자의 집단을 생성하거나 조작해야 한다. 어떤 특성 X의 스핀 의존성을 나타내는 편광(P_X)은 다음과 같이 정의할 수 있다.

:P_X=\frac{X_{\uparrow}-X_{\downarrow}}{X_{\uparrow}+X_{\downarrow}}

여기서 X_{\uparrow}와 X_{\downarrow}는 각각 스핀 업과 스핀 다운 전자에 대한 특성 X의 값을 나타낸다. 순수한 스핀 편광 상태는 스핀 업과 스핀 다운 상태 사이에 에너지 차이를 만들어 얻을 수 있다. 예를 들어, 물질을 강한 자기장 안에 두거나(제만 효과), 강자성체 내부의 교환 에너지를 이용하거나, 시스템을 의도적으로 평형 상태에서 벗어나게 하는 방법이 있다. 이렇게 만들어진 비평형 스핀 편광 상태가 유지될 수 있는 시간을 스핀 수명(\tau)이라고 한다.

전자가 확산하는 전도체 내에서, 비평형 스핀 집단이 퍼져나갈 수 있는 거리를 스핀 확산 길이(\lambda)라고 정의한다. 금속 내 전도 전자의 스핀 수명은 일반적으로 1나노초 미만으로 비교적 짧다. 따라서 이 수명을 기술적으로 유용한 시간까지 늘리는 것이 중요한 연구 과제이다.

스핀 편광된 전자 집단이 원래의 평형 상태로 돌아가려는, 즉 편광 상태가 붕괴되는 메커니즘은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

  • 스핀 플립 산란 (Spin-flip scattering): 고체 내에서 전자가 다른 입자나 격자 진동 등과 충돌하면서 스핀 상태가 바뀌는 과정이다. 이 과정은 스핀을 보존하지 않으므로, 들어올 때는 스핀 업 상태였던 전자가 산란 후 스핀 다운 상태로 바뀔 수 있다.
  • 스핀 디페이징 (Spin dephasing): 같은 스핀 상태를 가진 전자들이라도, 각 전자가 처한 미세 환경의 차이 등으로 인해 스핀 세차 운동(precession) 속도가 달라진다. 시간이 지남에 따라 개별 전자들의 스핀 방향이 제각각 흐트러지면서 전체적인 스핀 편광이 약해지는 현상이다.


하지만 특정한 조건에서는 이러한 붕괴를 억제할 수도 있다. 예를 들어, 크기가 매우 작은 제한된 구조에서는 스핀 디페이징이 억제될 수 있다. 실제로 저온 환경의 반도체 양자점에서는 수 밀리초(ms)에 달하는 긴 스핀 수명이 관측되기도 한다.

한편, 초전도체는 거대 자기저항 효과를 향상시키고, 스핀 수명을 늘리며, 에너지 손실 없는 스핀 전류를 가능하게 하는 등 스핀트로닉스의 주요 특성을 개선하는 데 기여할 수 있다.[11][12]

3. 5. 초전도체와 스핀트로닉스

초전도체는 거대 자기저항(GMR) 효과, 스핀 수명 및 무손실 스핀 전류와 같은 스핀트로닉스의 주요 효과를 향상시킬 수 있다.[11][12]

4. 응용

스핀트로닉스 기술은 주로 하드 디스크 드라이브와 같은 대용량 저장 소자 분야에서 중요한 발전을 이끌었다. 거대 자기저항(GMR) 효과와 이를 이용한 스핀 밸브 소자는 컴퓨터 자기 디스크의 읽기 헤드 성능을 크게 향상시켜 저장 밀도를 획기적으로 높이는 데 기여했다. IBM과 같은 기업들은 스핀트로닉스를 활용하여 제곱 인치당 테라비트 수준의 초고밀도 저장 기술을 선보이기도 했다. 정보 저장 밀도의 증가는 집적 회로의 성능 향상 속도를 나타내는 무어 법칙보다도 빠르게 진행되었다.

MRAM(Magnetic Random Access Memory) 역시 스핀트로닉스 원리를 기반으로 하는 대표적인 응용 사례이다. 모토로라와 에버스핀(Everspin) 등의 회사에서 초기 MRAM을 개발했으며, 현재는 스핀 토크 전달(STT)과 같은 차세대 기술이 연구되고 있다.[19][20][21][22] 스튜어트 파킨 박사가 제안한 레이스 트랙 메모리 또한 새로운 방식의 스핀트로닉스 기반 저장 기술이다.

향후 스핀트로닉스는 저장 소자를 넘어 더 다양한 분야로 응용될 가능성이 있다. 상온에서 강자성을 보이는 자기 반도체 개발을 통해 스핀 기반의 트랜지스터 구현이 연구되고 있으며, 이는 기존 반도체 소자의 한계를 극복할 잠재력을 가진다. 또한, 전기장이나 자기장에 의해 물성이 변하는 다강성(Multiferroic) 물질 연구도 활발히 진행 중이다. 스핀의 특성을 제어하는 기술이 발전함에 따라, 2012년에는 동기화된 전자의 스핀 상태가 현대 프로세서의 클럭 주기보다 긴 1나노초 이상 유지되는 성과도 있었다.[23]

4. 1. 거대 자기저항 (GMR) 소자

스핀트로닉스 소자는 대용량 저장 소자 분야에서 중요하게 사용된다. 특히 하드 디스크 드라이브의 저장 밀도를 급격하게 높이는 데 기여한 거대 자기저항(Giant Magneto Resistance, GMR) 효과가 대표적이다. 정보 저장 밀도의 증가 속도는 집적 회로 내 트랜지스터 수가 18개월마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙보다 훨씬 빨라서, 면 밀도의 배증 주기가 12개월에 달하기도 했다. 2002년 IBM 과학자들은 제곱 인치당 1조 비트(1.5Gbit/mm2) 수준의 저장 밀도를 발표하기도 했다.

가장 성공적인 GMR 기반 스핀트로닉스 소자는 스핀 밸브이다. 스핀 밸브는 강자성 물질 박막을 여러 층으로 쌓은 구조를 가진다. 이 소자는 외부에서 가해지는 자기장의 방향에 따라 전기 저항값이 변하는 특징이 있다. 스핀 밸브 내부에는 자화 방향이 고정된 '고정층'과 자기장에 따라 자화 방향이 자유롭게 바뀌는 '자유층'이 있다.

외부 자기장에 의해 자유층과 고정층의 자화 방향이 서로 반대 방향(반평행)이 될 때, 전자의 스핀에 따른 산란 현상 때문에 소자의 전기 저항이 증가한다. 반대로 두 층의 자화 방향이 같은 방향(평행)일 때는 저항이 감소한다. 이 저항 변화의 크기를 GMR 비라고 하며, [(반평행 저항 - 평행 저항) / 평행 저항] × 100% 로 계산한다.

일반적으로 GMR 소자는 10% 이상의 GMR 비를 나타내며, 실험적으로는 200%가 넘는 높은 GMR 비가 시연되기도 했다. 이는 단일 물질에서 나타나는 기존의 자기저항 효과(보통 3% 미만)에 비해 엄청나게 향상된 값이다. 스핀 밸브는 매우 약한 자기장에도 민감하게 반응하도록 설계될 수 있어, 컴퓨터 하드 디스크 드라이브에서 디스크 표면의 미세한 자기 정보를 읽어내는 자기저항 헤드의 핵심 부품으로 사용된다. 1990년대 후반부터 기존의 자기저항 센서를 대체하며 널리 쓰이게 되었다. 자기 디스크의 읽기 헤드는 이러한 GMR 또는 TMR 효과를 기반으로 작동한다.

GMR 기술은 MRAM(자기 임의 접근 메모리) 개발에도 영향을 미쳤다. 모토로라는 단일 자기 터널 접합과 단일 트랜지스터를 기반으로 1세대 256kb MRAM을 개발했으며, 이는 50ns 미만의 빠른 읽기/쓰기 속도를 보였다.[19] 이후 에버스핀은 4Mb 용량의 MRAM을 개발했다.[20] 현재는 열 보조 스위칭(TAS)[21] 및 스핀 토크 전달(STT)[22]과 같은 2세대 MRAM 기술이 개발되고 있다.

다른 스핀트로닉스 기반 메모리 설계로는 스튜어트 파킨 박사가 제안한 레이스 트랙 메모리가 있다. 이는 강자성 나노 와이어 내 도메인 벽 사이의 자화 방향을 이용하여 정보를 저장하는 방식이다.

스핀트로닉스 연구는 계속 발전하여, 2012년에는 동기화된 전자의 영구적인 스핀 나선 구조가 1ns 이상 지속되는 성과를 거두었다. 이는 이전 연구 결과보다 30배 이상 향상된 것이며, 현대 프로세서의 클럭 주기보다 긴 시간이다.[23] 미래에는 상온에서 강자성을 나타내는 자기 반도체를 이용한 스핀 기반 트랜지스터 개발도 기대되고 있다.

4. 2. 스핀트로닉스 논리 소자

비휘발성 스핀 로직 소자는 소자의 크기를 줄여 집적도를 높이는 스케일링을 가능하게 하기 위해 광범위하게 연구되고 있다.[13] 스핀과 자성을 이용하여 정보를 처리하는 스핀 전달 토크 기반의 로직 소자가 제안되었다.[14][15] 이러한 소자는 ITRS의 탐색 로드맵에도 포함되어 있다. 메모리 내에서 로직 연산을 수행하는 응용 분야는 이미 개발 단계에 있다.[16][17] 2017년에는 관련 연구 동향을 정리한 검토 기사가 Materials Today에 발표되기도 했다.[4]

또한, 스핀 수송의 물리학적 원리를 SPICE 개발자나 회로 및 시스템 설계자들이 활용할 수 있도록 스핀트로닉스 집적 회로에 대한 일반화된 회로 이론이 제안되었다. 이는 "CMOS 이후 컴퓨팅" 시대를 대비하여 스핀트로닉스 기술을 탐색하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.[18]

4. 3. 저장 매체

스핀트로닉스 소자는 대용량 저장 소자 분야에서 중요한 역할을 한다. 2002년 IBM의 과학자들은 제곱 인치당 1조 비트(1.5Gbit/mm2) 또는 3.5인치 디스크 한 면에 1TB에 해당하는 엄청난 양의 데이터를 좁은 영역에 압축하는 기술을 발표했다. 하드 디스크 드라이브의 저장 밀도는 무어 법칙에서 집적 회로 내 트랜지스터 수가 18개월마다 두 배로 증가하는 것보다 훨씬 빠른 속도인 12개월마다 두 배씩 증가하는 지수 함수적 성장세를 보여왔다. 하드 드라이브는 스핀 효과 중 하나인 "거대 자기저항"(Giant Magnetoresistance, GMR) 효과를 이용한다.

가장 성공적인 스핀트로닉스 소자 중 하나는 스핀 밸브이다. 이 소자는 자기 재료 박막을 여러 층으로 쌓은 구조를 가지며, 외부 자기장의 방향에 따라 전기 저항이 변하는 특성을 이용한다. 스핀 밸브는 두 개의 강자성 층으로 구성되는데, 한 층(고정층)은 자화 방향이 고정되어 있고 다른 층(자유층)은 외부 자기장에 따라 자화 방향이 자유롭게 변한다. 외부 자기장이 자유층과 고정층의 자화 방향을 정렬시키면(평행 상태), 스핀 의존 산란이 줄어들어 전기 저항이 낮아진다. 반대로 두 층의 자화 방향이 반대일 때(반평행 상태)는 저항이 증가한다. 이 저항 변화율, 즉 [(반평행 저항 - 평행 저항) / 평행 저항] × 100%를 GMR비라고 한다.

일반적인 단일층 물질의 반평행 자기저항 효과가 3% 미만인 것에 비해, 스핀 밸브 소자는 GMR비가 200%에 달하는 경우도 시연되었으며, 통상적으로 10% 이상의 값을 보인다. 스핀 밸브는 자기적으로 연한 자유층을 사용하여 컴퓨터 하드 디스크 드라이브의 자기 디스크에 기록된 작은 자기 비트에서 발생하는 매우 약한 자기장에도 민감하게 반응하도록 설계될 수 있다. 이러한 특성 덕분에 1990년대 후반부터 컴퓨터 하드 디스크 드라이브의 자기저항 헤드에 사용되던 기존의 반평행 자기저항 센서를 대체하게 되었다. 자기 디스크의 읽기 헤드는 GMR 또는 터널 자기저항(TMR) 효과를 기반으로 한다.

미래의 응용 분야로는 상온에서 강자성을 나타내는 자기 반도체 개발을 필요로 하는 스핀 기반 트랜지스터 등이 있다. MRAM(자기 저항 메모리) 역시 스핀트로닉스 원리를 기반으로 작동한다. 다강체(Multiferroic)는 전기장이나 자기장의 영향으로 내부 분자 배열이 변하는 특성을 가져 여러 연구 기관에서 주목받고 있다.

모토로라는 단일 자기 터널 접합(MTJ)과 단일 트랜지스터를 기반으로 한 1세대 256 kb MRAM을 개발했으며, 이 메모리는 50ns 미만의 읽기/쓰기 속도를 구현했다.[19] 이후 에버스핀(Everspin)은 4 Mb 용량의 MRAM을 개발했다.[20] 현재는 열 보조 스위칭(TAS)[21]과 스핀 토크 전달(STT)[22]이라는 두 가지 2세대 MRAM 기술이 개발 중이다.

또 다른 차세대 메모리 설계로는 스튜어트 S. P. 파킨 박사가 제안한 레이스 트랙 메모리가 있다. 이는 강자성 나노 와이어 내 자기 구역 벽(domain wall) 사이의 자화 방향을 이용하여 정보를 저장하는 방식이다.

2012년에는 동기화된 전자의 영구적인 스핀 나선 구조가 1ns 이상 지속되는 연구 결과가 발표되었는데, 이는 이전 연구보다 30배 향상된 것이며 현대 프로세서의 클럭 사이클 시간보다 긴 시간이다.[23]

최근에는 강자성 물질의 대안으로 반강자성 저장 매체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[36] 반강자성 물질은 강자성 물질처럼 비트 정보를 저장할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 일반적인 '자화 방향 위'를 0, '자화 방향 아래'를 1로 정의하는 대신, '수직 교번 스핀 구성'을 0, '수평 교번 스핀 구성'을 1과 같이 상태를 정의할 수 있다.[37]

반강자성 물질의 주요 장점[38][39]
장점설명
데이터 안정성순 외부 자화가 0이므로 외부 자기장에 의한 데이터 손상에 둔감하다.
집적도 향상 가능성인접 소자에 자기적 간섭을 일으키지 않아 소자 간 거리를 좁힐 수 있다.
빠른 속도스위칭 시간이 강자성 공명 주파수(GHz 대역)보다 훨씬 빠른 THz 대역이다.
다양한 물질 활용절연체, 반도체, 준금속, 금속, 초전도체 등 다양한 물질에서 반강자성 특성이 나타난다.



반강자성 물질은 순 자화가 0이기 때문에 기존의 강자성 스핀트로닉스와는 다른 방식으로 정보를 읽고 써야 한다. 현대 MRAM에서 자기장을 이용한 정보 조작 방식은 점차 전류를 이용한 방식으로 대체되고 있는데, 반강자성체에서는 자기장이 효과가 없으므로 전류를 이용한 읽기/쓰기 방법 연구가 필수적이다. 현재 연구 중인 쓰기 방법으로는 스핀 전달 토크와 스핀-궤도 토크(스핀 홀 효과, 라슈바 효과 등)가 있으며, 읽기 방법으로는 터널 자기저항과 같은 자기저항 효과를 이용하는 방안이 연구되고 있다.[40]

4. 4. 반도체 기반 스핀트로닉스 소자

도핑된 반도체 재료는 희석 자성을 나타낸다. 최근 몇 년 동안, 산화 아연(ZnO) 기반 희석 자성 반도체(DMO) 및 이산화 티타늄(TiO2) 기반 DMO를 포함한 희석 자성 산화물(DMO)에 대한 많은 실험 및 계산 연구가 이루어졌다.[24][25] 비산화물 강자성 반도체 소스(예: 망간이 도핑된 비소화 갈륨 (Ga,Mn)As ),[26] 터널 장벽을 이용한 계면 저항 증가,[27] 또는 핫 전자 주입[28] 방법도 사용된다.

반도체에서 스핀을 감지하는 데는 여러 기술이 사용된다.

  • 투과 또는 반사된 광자의 패러데이/커 효과[29]
  • 전기 발광의 원형 편광 분석[30]
  • 비국소(non-local) 스핀 밸브 (금속에 대한 Johnson과 Silsbee의 연구에서 차용)[31]
  • 탄도 스핀 필터링[32]


이 중 탄도 스핀 필터링 기술은 실리콘에서 스핀-궤도 상호작용 및 재료 문제의 어려움을 극복하고 스핀 수송을 달성하는 데 사용되었다.[33]

외부 자기장이나 자기 접점의 누설 자기장은 반도체에서 큰 홀 효과 및 거대 자기저항을 유발할 수 있는데, 이는 스핀 밸브 효과와 유사하게 보일 수 있다. 따라서 반도체에서 스핀 수송이 실제로 일어났다는 결정적인 증거는 주입된 스핀 방향과 나란하지 않은 자기장에서 스핀 세차 운동 및 위상 감소(dephasing)를 관찰하는 것이다. 이를 한레 효과라고 한다.

스핀 편광된 전하를 주입하는 기술을 응용한 예로는 반도체 레이저가 있으며, 이는 임계 전류를 낮추고 제어 가능한 원형 편광 간섭성 빛을 출력하는 것을 보여주었다.[34] 미래에는 기존 MOSFET 소자보다 더 가파른 서브임계 기울기(subthreshold slope)와 같은 장점을 가진 스핀 기반 트랜지스터가 개발될 것으로 기대된다.

'''자기 터널 트랜지스터 (Magnetic Tunnel Transistor, MTT)'''[35]

단일 베이스(base) 층을 가진 자기 터널 트랜지스터는 다음과 같은 단자로 구성된다.

  • 이미터 (Emitter, FM1): 스핀 편광된 고온 전자를 베이스로 주입한다. (FM은 강자성체(Ferromagnet)를 의미)
  • 베이스 (Base, FM2): 스핀에 따라 산란이 일어나며, 스핀 필터 역할도 한다.
  • 콜렉터 (Collector, GaAs): 계면에 쇼트키 장벽이 형성되어 있다. 이 장벽을 넘을 만큼 충분한 에너지를 가진 전자만 수집하며, 반도체 내에 전자가 들어갈 수 있는 상태가 있을 때 수집된다.


자기 전류(Magnetocurrent, MC)는 다음과 같이 정의된다.

:MC = \frac{I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}

여기서 I_{c,p}는 이미터와 베이스의 자화 방향이 평행할 때의 콜렉터 전류이고, I_{c,ap}는 반평행할 때의 콜렉터 전류이다.

전달비(Transfer Ratio, TR)는 다음과 같다.

:TR = \frac{I_C}{I_E}

여기서 I_C는 콜렉터 전류, I_E는 이미터 전류이다.

MTT는 상온에서 고도로 스핀 편광된 전자를 만들어내는 소스로서 가능성을 보여준다.

'''전계 효과 스핀 트랜지스터 (Spin Field-Effect Transistor, Spin-FET)'''

실리콘을 채널 재료로 사용하여 전극에서 스핀을 주입하여 스핀 수송을 시도하거나, 자성 반도체를 채널 재료로 사용하여 캐리어를 스핀 편극시키는 방법이 연구되고 있다.

4. 5. 스핀 감지 기술

도핑된 반도체 재료는 희석 자성을 나타낸다. 최근 몇 년 동안 산화 아연(ZnO) 기반 희석 자성 반도체 및 이산화 티타늄(TiO2) 기반 희석 자성 반도체를 포함한 희석 자성 산화물(DMO)에 대한 수많은 실험 및 계산 조사가 이루어졌다.[24][25] 비산화물 강자성 반도체 소스(예: 망간이 도핑된 비소화 갈륨(GaMnAs)),[26] 터널 장벽을 이용한 계면 저항 증가,[27] 또는 핫 전자 주입을 사용하기도 한다.[28]

반도체에서 스핀 감지는 다음과 같은 여러 기술로 해결되었다.

  • 투과/반사 광자의 패러데이/커 효과[29]
  • 전계 발광의 원형 편광 분석[30]
  • 비국소 스핀 밸브(금속에 대한 Johnson과 Silsbee의 연구에서 채택)[31]
  • 탄도 스핀 필터링[32]


이 중 탄도 스핀 필터링 기술은 실리콘에서 스핀-궤도 상호작용 및 재료 문제의 부족을 극복하고 스핀 수송을 달성하기 위해 사용되었다.[33]

외부 자기장(및 자기 접점의 누설 자기장)은 반도체에서 큰 홀 효과 및 거대 자기저항을 유발할 수 있으며, 이는 스핀 밸브 효과를 모방할 수 있다. 따라서 반도체에서 스핀 수송의 유일하고 결정적인 증거는 주입된 스핀 방향과 비공선적인 자기장에서 스핀 세차 운동 및 위상 감소를 관찰하는 것이며, 이를 한레 효과라고 한다.

4. 6. 기타 응용

스핀트로닉스 소자는 하드 디스크 드라이브와 같은 대용량 저장 소자 분야에서 중요한 역할을 한다. 2002년 IBM의 과학자들은 스핀트로닉스 기술을 이용하여 제곱 인치당 1조 비트(1.5 Gbit/mm2)라는 매우 높은 밀도로 데이터를 저장하는 데 성공했다고 발표했다. 이는 3.5인치 디스크 한 면에 약 1TB의 데이터를 저장할 수 있는 수준이다. 하드 드라이브의 저장 밀도는 무어 법칙에서 예측하는 반도체 집적회로 내 트랜지스터 수 증가 속도(18개월마다 2배)보다 훨씬 빠른 속도(12개월마다 2배)로 증가해왔다. 이러한 발전에는 "거대 자기 저항"(Giant Magnetoresistance, GMR)이라는 스핀 효과가 핵심적인 역할을 했다.

현재까지 가장 성공적인 스핀트로닉스 소자 중 하나는 스핀 밸브이다. 스핀 밸브는 여러 층의 얇은 자기 재료 박막을 쌓아 만든 구조로, 외부 자기장의 방향에 따라 전기 저항이 변하는 특성을 이용한다. 스핀 밸브 내부에는 두 개의 강자성 층이 있는데, 하나는 자화 방향이 고정된 '고정층'이고 다른 하나는 외부 자기장에 따라 자화 방향이 자유롭게 변하는 '자유층'이다. 외부 자기장이 자유층과 고정층의 자화 방향을 나란하게 정렬시키면 소자의 전기 저항은 감소하고, 반대로 정렬시키면 스핀 의존 산란(spin-dependent scattering) 현상 때문에 저항이 증가한다. 이 저항 변화의 크기를 GMR 비율이라고 하며, [(반평행 저항 - 평행 저항) / 평행 저항] × 100%로 계산한다.

초기 GMR 소자들은 10% 이상의 GMR 비율을 보였고, 이후 200%에 달하는 높은 비율을 가진 소자도 개발되었다. 이는 단일 물질에서 나타나는 이방성 자기 저항 효과(일반적으로 3% 미만)에 비해 엄청난 개선이다. 스핀 밸브는 매우 약한 자기장에도 민감하게 반응하도록 설계될 수 있어, 컴퓨터 하드 디스크 드라이브의 자기저항 헤드에서 디스크 표면의 미세한 자기 비트 정보를 읽어내는 데 사용된다. 1990년대 후반부터 기존의 이방성 자기저항 센서를 대체하며 널리 쓰이고 있다.

스핀트로닉스의 미래 응용 분야로는 상온에서 강자성을 나타내는 자기 반도체 개발을 필요로 하는 스핀 기반 트랜지스터가 있다. 또한, MRAM(자기 임의 접근 메모리) 역시 스핀트로닉스 원리를 기반으로 작동한다. 외부 전기장이나 자기장에 의해 내부 분극 상태가 변하는 다강성 물질(Multiferroic)도 여러 대학에서 활발히 연구되고 있다. 스핀 편광된 전자를 주입하는 기술은 반도체 레이저의 임계 전류를 낮추고 제어 가능한 원형 편광 빛을 출력하는 데 응용될 가능성을 보여주었다.[34] 미래에는 기존 MOSFET 소자보다 더 우수한 특성(예: 가파른 서브임계 기울기)을 가진 스핀 기반 트랜지스터가 개발될 것으로 기대된다.

'''자기 터널 트랜지스터'''

자기 터널 트랜지스터(Magnetic Tunnel Transistor, MTT)는 단일 베이스 층을 가진 스핀트로닉스 소자이다.[35] 구조는 다음과 같다.

단자구성 물질기능
이미터강자성체 (FM1)스핀 편광된 고온 전자를 베이스로 주입한다.
베이스강자성체 (FM2)스핀 의존성 산란이 일어나며, 스핀 필터 역할을 한다.
콜렉터GaAs (반도체)계면의 쇼트키 장벽을 넘을 충분한 에너지를 가진 전자만 수집한다. (반도체 내 이용 가능한 상태가 있을 때)



자기 터널 트랜지스터의 성능은 자기 전류(Magnetocurrent, MC)와 전달비(Transfer Ratio, TR)로 평가된다.


  • '''자기 전류 (MC)''': 베이스와 이미터의 자화 방향이 평행할 때(p)와 반평행할 때(ap)의 콜렉터 전류(Ic) 차이를 상대적으로 나타내는 값이다. 계산식은 MC = (Ic,p - Ic,ap) / Ic,ap 이다.
  • '''전달비 (TR)''': 이미터 전류(IE) 대비 콜렉터 전류(IC)의 비율을 나타낸다. 계산식은 TR = IC / IE 이다.


자기 터널 트랜지스터는 상온에서 높은 스핀 편광도를 가진 전자 소스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

참조

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