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- 나노자석은 현대 정보기술에서 핵심적 역할:빠른 데이터 저장, 정밀 자기센서, 양자컴퓨팅
- 대부분 재료에서 전자스핀은 표면을 따라 수평으로 놓이는 경향 바깥쪽으로 향하지 않아
- 연구팀은 자기(磁氣) 영역 크기를 획기적으로 줄여 스핀이 재료 표면에서 수직으로 돌출되도록 만들 수 있음을 입증했다.
- 이 구조는 외부 자기장과 전기펄스에 대한 소재의 높은 감도 제공

특별한 나노자석
헬름홀츠 드레스덴-로센도르프 센터(HZDR)

HZDR 연구진은 노르웨이 트론헤임 과학기술대학교 및 폴란드 과학아카데미 핵물리학 연구소와 협력하여 비교적 간단한 공정과 저렴한 원료를 사용하여 고효율 자기 나노소재를 생산하는 방법을 개발했다. 연구팀은 고도로 집속된 이온 빔을 이용하여 미세하고 서로 수직으로 배열된 나노자석 나노띠를 소재 표면에 새겨 넣었다. 연구진에 따르면, 이러한 구조는 외부 자기장과 전기 펄스에 대한 소재의 높은 감도를 제공한다.

나노자석은 현대 정보 기술에서 핵심적인 역할을 한다. 나노자석은 빠른 데이터 저장, 정밀한 자기 센서, 스핀트로닉스 분야의 새로운 발전, 그리고 미래의 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다. 이러한 모든 응용 분야의 기반은 나노 규모에서 맞춤 설계 및 정밀 제어가 가능한 특수한 자기 구조를 가진 기능성 소재다. 

▲ 약 2 nm 직경의 집속된 Ne+ 이온 빔을 사용하여 단거리 질서형 Fe60V40 템플레이트 박막에 새겨진 결정 영역의 구조. 스트라이프 형상의 조사 영역에 대한 TEM 명시야 이미지를 보여주며, 스트라이프 폭은 a) 250 nm, b) 100 nm, c) 50 nm, d) 25 nm다. 명시야 이미지에 해당하는 SPED 미세사진은 각각 e~h)에 나타냈다. 오른쪽 하단의 색상 스케일은 z축에 대한 국부적인 결정학적 방향을 나타낸다. 결정립 크기 분포는 i)에 나타냈으며, gl과 gw는 각각 스트라이프의 길이와 폭에 평행한 축을 따라 측정한 결정립 크기다. (출처:Confinement Driven Spin-Texture Evolution in Directly Written Nanomagnets / Advanced Functional Materials / 09 September 2025)

HZDR 이온빔 물리학 및 재료 연구소의 란테즈 발리(Rantej Bali) 연구팀은 이전에 다양한 기하학적 형태의 미세한 자기 구조를 재료 표면에 새기는 방법을 개발했다. 이러한 자기 나노구조의 특성은 재료의 응용 분야에서의 특성을 결정한다. 이제 연구팀은 중요한 진전을 이루었다. 발리 연구원은 "상대적으로 단순한 재료를 사용해 수직 방향의 나노자석을 만드는 데 성공했다. 이는 나노자석에 의존하는 모든 기술의 효율성과 비용 효율성을 크게 향상시킬 것이다"고 밝혔다.

대부분 재료에서 전자스핀은 표면을 따라 수평으로 놓이는 경향이 있으며 바깥쪽으로 향하지 않는다. 이는 재료의 응용 분야를 심각하게 제한한다. 연구팀은 자기(磁氣) 영역의 크기를 획기적으로 줄임으로써 스핀이 재료 표면에서 수직으로 돌출되도록 만들 수 있음을 입증했다. 기존 방법으로도 유사한 특성을 얻을 수 있지만, 복잡한 결정 구조를 가진 원료나 박막 형태로 여러 재료를 조합해야 하므로 복잡하고 비용이 많이 든다. 이번 새로운 기술의 핵심은 기존 기술과는 다르다는 점이다. 발리 연구원은 "재료와 제조 공정 모두 저렴하고 대부분의 자기 응용 분야에 적합하다"고 설명했다.

핵심은 한계점에 있다. 바로 이온 빔을 이용한 자기 조각 기술이다.

연구진은 철-바나듐 합금으로 만들어진 얇은 금속 필름을 출발 물질로 사용했다. 이 물질의 원자들은 초기에는 무질서한 상태에서 약한 자성을 띤다. 하지만 고도로 집중된 이온 빔을 조사하면 상황이 바뀐다. 원리는 간단하다. 직경이 약 2nm(나노미터)에 불과한 빔이 물질에 부딪히면, 원자들이 국소적으로 결정 격자 구조로 재배열된다. 이온이 원자들을 격자 위치로 밀어 넣는 것이다. 이렇게 질서정연한 결정 상태에서 물질은 강자성을 띠게 된다. 따라서 필름에 미세한 자기 영역들이 조각조각 만들어진다. 정확한 물리적 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 이 방법을 이용하면 거의 모든 모양과 크기의 자기 나노 구조를 만들 수 있다는 것은 분명하다.

이전 실험과 달리 이번 실험에서 연구진은 나노 스트립의 폭을 줄여 25nm에 불과한 극히 얇은 자기 영역을 얻었다. 놀랍게도, 이 매우 얇은 스트립에서 나노자석들이 특정 지점에서 표면에 수직으로 정렬되는 현상을 발견했다.

▲ 상자성 Fe60V40 기판 위에 직접 증착된 강자성(FM) 영역의 스핀 텍스처에 대한 자기 누설장 및 미세자기 시뮬레이션 결과다. FM 영역은 길이 10 µm, 폭이 각각 a) 250 nm, b) 100 nm, c) 50 nm, d) 25 nm인 스트라이프 형태다. a~d)의 상단 패널은 자기력 현미경(MFM)을 사용하여 측정한 자기 누설장에서 얻은 실험적 대비를 보여주고, 중간 패널은 mumax3 패키지를 사용하여 시뮬레이션한 대비를 보여주며, 하단 패널은 시뮬레이션된 m 공간 분포를 보여준다(왼쪽 하단의 색상 코드 참조). 사각형으로 표시된 m 반전 영역은 다음과 같은 스핀 텍스처를 위에서 본 모습으로 보여주기 위해 선택되었다. e) 250 nm 스트라이프에서 선택된 한 영역, f) 100 nm 및 g) 50 nm 폭의 스트라이프에서 각각 선택된 두 영역, h) 선택된 한 영역(상단 및 측면도 포함 (출처:Confinement Driven Spin-Texture Evolution in Directly Written Nanomagnets / Advanced Functional Materials / 09 September 2025)

수직 나노자석은 더 효율적이다

수직 나노자석은 여러 가지 이유로 유리하다.
첫째, 훨씬 더 작게 만들 수 있다. 이는 하드 드라이브의 데이터 저장 밀도를 높이고 부품의 소형화 추세를 뒷받침한다. 둘째, 스핀트로닉스와 같이 전자의 전하뿐만 아니라 스핀도 신호 전송에 사용하는 분야에서 재료의 효율을 높인다. 전류가 흐를 때, 수직 방향의 자기 모멘트는 평행 방향의 자기 모멘트보다 전자에 더 큰 토크를 가한다. 양자 컴퓨터 또한 수직 나노자석을 이용하여 큐비트의 두 가지 가능한 바닥 상태(각각 위쪽 또는 아래쪽을 향하는 자기 방향에 해당)를 구분하고 높은 감도로 제어할 수 있다.

"아주 간단히 말해서, 카드 놀이를 떠올려 보세요. 카드들을 테이블 위에 나란히 펼쳐 놓으려면 비교적 많은 공간이 필요하다. 하지만 카드를 똑바로 세워 놓으면 훨씬 더 많은 공간을 절약할 수 있다. 똑바로 세워진 한 카드는 평평하게 놓인 카드보다 주변 환경의 자극에 훨씬 더 민감하다. 나노자석이 외부 자기 자극에 반응하는 방식도 마찬가지다"고 발리 교수는 설명했다.

실험 및 이론적 검증

연구진은 실험 결과를 더욱 정확하게 이해하기 위해 추가 실험을 통해 물질 내에서 자기 도메인이 어떻게 형성되는지 관찰했다. 자기 도메인은 모든 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬된 영역이다. 서로 반대 방향으로 정렬된 두 도메인이 충돌하면 자화는 폭이 수 나노미터에 불과한 좁은 경계 영역, 즉 도메인 벽으로 이동해야 한다. 그 결과, 자기 모멘트는 수직으로 정렬된다.

HZDR 연구팀은 자기력 현미경과 누설 자기장을 이용해 이러한 특수한 회전을 처음으로 감지할 수 있었다. 노르웨이 트론헤임에 있는 마그누스 노르드(Magnus Nord)가 이끄는 NTNU 연구팀은 차등 위상 대비 분광법(differential phase contrast spectroscopy)을 사용하여 완성된 소재를 재측정했다. 이 방법은 전자가 자기 영역을 통과할 때 어떻게 반응하는지를 보여주는 나노 스케일 이미지를 제공한다. 이를 통해 연구팀은 스트립의 자화를 2차원으로 매핑하고 서로 다른 자기 도메인 사이의 경계를 시각화할 수 있었다.

크라쿠프에 있는 폴란드 과학아카데미 핵물리학 연구소의 미할 크루핀스키(Michal Krupinski)가 이끄는 연구팀은 도메인 경계가 자기 모멘트를 수직으로 정렬하는 방식을 정확하게 보여주는 이론적 시뮬레이션과 시각화를 제공했다. 연구팀은 이러한 새로운 연구 결과를 바탕으로 자기 저장 장치, 센서 및 스핀 기반 양자 컴퓨팅 기술을 더욱 발전시킬 계획이다.

참고: Advanced Functional Materials, 2025; doi: 10.1002/adfm.202513904
출처: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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