최원영(한국과학기술연구원, 서울대학교), 하재현(한국과학기술연구원, 대구경북과학기술원), 정민승(한국과학기술연구원), 김성빈(한국과학기술연구원, 고려대학교), 구현철(한국과학기술연구원), 이억재(한국과학기술연구원), 민병철(한국과학기술연구원), 장혜진(서울대학교), Aga Sahee(마인츠대학교), 김지완(군산대학교), Mathias Klaui (마인츠대학교), 홍정일(대구경북과학기술원), 김경환(연세대학교), 한동수(한국과학기술연구원), Nature Communications 16, 5859 (2025).

▲ 절연층/강자성층(ferromagnet, FM)/반강자성 절연체(antiferromagnetic insulator, AFI) 구조에서 스핀전류 및 마그논의 전달에 대한 모식도.

스핀트로닉스(spintronics)는 전자의 스핀 자유도를 이용해 정보 처리를 수행하는 차세대 기술로, 다른 정보처리 기술 대비 높은 에너지 효율과 초고속 동작이 가능하다는 장점이 있다. 특히 스핀-궤도 토크(spin–orbit torque, SOT)는 강자성체(ferromagnet, FM)의 자화를 전류로 제어할 수 있는 핵심 물리로, 일반적으로 비자성 중금속(heavy metal, HM)의 스핀 홀 효과(spin Hall effect, SHE)를 통해 생성된 스핀 전류가 강자성체에 전달되어 자화가 스위칭된다. 그러나 이러한 전자 기반 스핀 전달은 줄 열(Joule heating) 및 계면 산란(spin scattering)에 의한 손실이 존재한다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 마그논(magnon) 소산(dissipation) 자체를 활용해 강자성체 자화(magnetization)를 제어하는 새로운 개념을 제시하였다. 즉, 스핀 전달 효율을 높이기 위해 소산을 억제하는 대신, 마그논 소산을 적극적으로 이용해 스핀 각운동량을 효과적으로 전달함으로써 강력한 SOT를 유도할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.

연구진은 강자성 금속(Ni)과 반강자성 절연체(antiferromagnetic insulator, AFI)를 결합한 AFI/FM/절연층 구조(NiO/ Ni/SiO_x, Cr₂O₃/Ni/SiO_x)를 제작하였다. 기존의 HM/FM 구조에서는 비자성층이 스핀 전류를 생성하지만, 본 구조에서는 외부 스핀 공급원 없이 강자성 내부의 고유 스핀 전류(intrinsic spin current)가 생성된다. AFI 층은 스핀을 흡수하고 마그논으로 변환하며, 이때 비대칭적인 스핀 소산(asymmetric spin dissipation)이 발생해 알짜 스핀 각운동량(net spin angular momentum, SAM)이 형성된다. 이 SAM이 자화 방향과 직교하면 SOT를 유발하여 자화를 회전시킨다. 이러한 마그논 소산 기반 SOT를 실험으로 확인하기 위해 하모닉 홀 전압(harmonic Hall voltage) 측정을 통해 감쇠형 토크(damping-like torque)와 자장형 토크(field-like torque)의 유효 자기장을 분석하였다. 그 결과, NiO 및 Cr₂O₃를 포함한 샘플에서 SOT 세기가 일반적인 비자성 금속(Pt, Ta 등)에서 측정되는 수준과 유사하거나 더 큰 값으로 나타났다. 이는 계면 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling, SOC) 효과 없이도 AFI가 마그논 소산을 통해 강한 SOT를 발생시킬 수 있음을 의미한다.

다음으로 연구진은 Néel 벡터 정렬과 스핀 분극의 상관관계를 서로 다른 자기이방성을 가지는 AFI를 바탕으로 조사했다. NiO (easy plane type)와 Cr₂O₃ (easy axis type)에서 스핀-마그논 변환 효율은 AFI의 Néel 벡터 방향과 FM에서 유도된 스핀 분극의 상대적인 정렬에 따라 달라진다. 특히, 스핀분극이 Néel 벡터와 평행할수록 SOT가 커지는 경향을 보였다. 이는 마그논 전송이 Néel 축 방향에 의해 지배됨을 나타내며, 관찰한 스핀 전달이 마그논 기원임을 강하게 뒷받침한다. AFI 두께에 따른 SOT 변화를 분석한 결과, NiO의 경우 1.5 ‒ 2.0 nm 부근에서 최댓값을 보인 후 감소하였고, Cr₂O₃에서는 두께 증가에 따라 SOT가 지속적으로 커지는 경향을 나타냈다. 이러한 비단조적(non-monotonic) 거동은 기존의 스핀 주입 기반 모델과 달리, AFI 내부에서 마그논 소산이 증가함에 따라 순 스핀 전달이 강화되는 현상으로 해석된다. 특히 Cr₂O₃의 경우 두꺼운 층에서도 SOT가 0이 되지 않고 유지되며, 이는 마그논 소산이 자화 제어의 주요 구동원임을 직접적으로 증명한다.

마지막으로, 전류 펄스를 가했을 때의 단방향자기저항(unidirectional spin Hall magnetoresistance, USMR) 변화를 통해 자화 스위칭을 관찰하였다. 임계 전류밀도 이상에서 자화 방향이 전류 극성에 따라 반전되었으며, 이는 단순한 외르스테드(Oersted) 자기장에 의한 결과가 아니라 마그논 소산 유도 SOT에 의해 자화가 전환됨을 뒷받침하는 증거이다.

본 연구는 스핀 손실(dissipation)을 억제해야 한다는 기존의 통념을 뒤집고, 마그논 소산을 적극적으로 활용한 새로운 자화 제어 방식을 제시하였다. 이 개념은 기존의 FM/HM 기반 구조뿐 아니라, 다양한 스핀-궤도 결합 시스템에도 응용될 수 있으며, 초저전력 스핀 논리소자, 차세대 MRAM, 및 양자 스핀 기반 소자의 개발에 새로운 방향성을 제시한다는 점에서 큰 의의가 있다.

박병철(기초과학연구원, 성균관대학교), 하태우(기초과학연구원, 성균관대학교), 이호준(포항공과대학교), 심경익(기초과학연구원, 성균관대학교), 백인수(포항공과대학교), 윤석준(울산대학교, 기초과학연구원, 성균관대학교) 이규준(고려대학교), 이현우(포항공과대학교), 이영희(기초과학연구원, 성균관대학교), Advanced Materials e03808 (2025).

▲ TaAs₂에서 전류 인가 직후 형성되는 오비탈 홀 전류의 시공간 분포. 수십 피코초 이내에 커(Kerr) 신호가 비대칭적으로 나타나며 감쇠하는 것이 관찰되어, 오비탈 각운동량의 실시간 흐름과 소산을 직접적으로 보여줌.

스핀트로닉스에서는 전자의 스핀 각운동량(spin angular momentum)을 정보전달의 매개로 활용하기 때문에 전류의 흐름을 통해 스핀을 발생시키는 스핀 홀 효과(spin Hall effect, SHE)가 핵심 현상 중 하나로 알려져 있다. 그러나 전자의 오비탈 각운동량(orbital angular momentum) 또한 전류에 의해 생성될 수 있으며, 최근 이로부터 유도되는 오비탈 홀 효과(orbital Hall effect, OHE)가 스핀 생성의 새로운 근원으로 부상하고 있다. OHE는 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling, SOC)이 약한 물질에서도 발생할 수 있으며, 따라서 SOC가 약해 그동안 스핀트로닉스에서 주목받지 못했던 비자성 금속이나 다른 물질들에서도 각운동량 전달을 가능하게 한다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.

기존 OHE 연구는 대부분 시간 평균적(static) 또는 평균 전류 분포 기반 측정에 국한되어 있어, 실제 시간-공간 분포를 해석하기 어려웠다. 본 연구에서는 초고속 펌프-프로브 광자기커효과(pump–probe magneto-optical Kerr effect)를 활용하여, 피코초(ps) 시간 해상도 및 서브 마이크로미터 공간 해상도 수준에서 OHE의 시공간 분포(spatiotemporal dynamics)를 직접 관찰하였다. 연구진은 위상 준금속 TaAs₂을 OHE의 시공간 분포를 관찰하기 위한 소재로 선택했다. 전류 인가 시 TaAs₂ 내 전자의 오비탈 운동량이 수직 방향으로 분극되며, 이는 자성체가 아니어서 자화(magnetization)이 없는 시스템에서도 오비탈 분극(orbital polarization)을 생성한다. 연구진은 이를 펌프-프로브 커 회전 측정(Kerr rotation)으로 감지하였고, 스핀 홀 효과와 달리 SOC 없이도 OHE가 유도됨을 확인하였다. 특히, 시간에 따른 커(Kerr) 신호 분석 결과 오비탈 홀 전류는 전류 펄스가 인가된 이후 수십 피코초 이내에 생성되어 감쇠하며, 공간적으로는 전류 흐름 방향에 직교하는 축에서 비대칭 분포를 보였다. 이는 오비탈 각운동량이 전자 전류에 수직한 방향으로 전달됨을 의미한다. 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해, TaAs₂의 밴드 구조에서 비가환(nontrivial) 오비탈 베리 곡률(orbital Berry curvature, OBC)이 강하게 나타나는 것을 확인하였다. 이 OBC는 전하 전류에 수직한 방향으로 오비탈 흐름을 유도하며, 그 크기는 스핀 홀 전도도보다 한 자릿수 이상 큰 수준이었다. 이는 실험에서 관찰된 오비탈 홀 신호의 비대칭적 공간 분포와 잘 일치하였으며, 위상적 밴드 교차(topological band crossing)가 오비탈 홀 전류의 원천임을 입증한다.

연구진은 또한 TaAs₂/Ni bilayer 구조를 제작하여, 오비탈 홀 전류가 금속 자성층에서 오비탈-스핀 전환(orbital-to-spin conversion)을 통해 스핀 전류로 변환됨을 실험적으로 증명하였다. Ni 층의 자화 변화를 시간에 따라 추적한 결과, 오비탈 홀 전류 유입 시 자화 방향이 빠르게 변하며 감쇠형 스핀 토크(damping-like torque)가 발생하는 것이 관찰되었다. 이로부터 계산된 유효 오비탈 홀 각도(effective orbital Hall angle)는 약 0.21로, 이는 전통적 Pt 기반 스핀 홀 물질보다 두 배 이상 높은 수치이다. 시간 분해 커(Kerr) 분석을 통해, 오비탈 홀 전류는 전류 펄스 종료 후에도 약 30–50 ps 동안 지속되며, 이는 전자의 스핀 수명보다 길다는 것을 밝혀냈다. 이는 오비탈 각운동량의 소산(dissipation) 경로가 스핀보다 느리다는 점을 시사하며, 따라서 오비탈을 이용할 경우 스핀을 이용하는 경우보다 정보를 더 효율적으로 전송할 수 있다는 가능성을 보여준다.

본 연구는 OHE의 시공간 동역학을 실험적으로 최초로 관찰함으로써, 오비탈 각운동량이 전자 스핀보다 더 근본적인 각운동량 운반자임을 증명하였다. 특히, SOC가 약한 위상 준금속에서도 거대한 OHE가 발생할 수 있음을 확인함으로써, 오비탈 기반 스핀 변환 및 자화 제어 기술의 가능성을 제시하였다. 이 결과는 향후 스핀-오비탈 결합 소자(spin–orbitronic device), 오비탈 토크 자성메모리(orbital torque driven magnetic random-access memory), 위상적 오비탈 전류 트랜지스터 등의 실현에 핵심적인 기반을 제공할 것으로 기대된다.