스핀트로닉스와 그래핀이 차세대 양자 회로에 힘을 실어주는 방법

스핀트로닉스가 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 방법

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

점점 더 하드웨어 컴퓨팅 분야는 실리콘 칩을 넘어, 심지어 고전적인 이진 컴퓨팅 형태 자체를 넘어서는 방향을 모색하고 있습니다. 이는 현재 컴퓨터와 데이터 센터에 사용되는 일반적인 칩과 메모리가 제작이 점점 어려워지고 있으며, 최신 세대의 트랜지스터가 불과 몇 나노미터 수준에 이르기 때문입니다.

또 다른 요인은 AI 시스템을 비롯한 컴퓨팅 파워에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 에너지 소비가 문제로 대두되고 있다는 점입니다.

많은 해결책이 제시되고 있으며, 그 중 양자 컴퓨팅과 포토닉스가 컴퓨팅 수요를 줄이거나 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들기 위한 가장 두드러진 옵션입니다.

또 하나는 전류(전자 흐름) 대신 전자의 스핀을 활용하는 스핀트로닉스입니다.

네덜란드 델프트 공과대학, 일본 츠쿠바 국립재료과학연구소, 스페인 발렌시아 대학교, 독일 레겐스부르크 대학교, 그리고 미국 하버드 대학교 연구진이 새로운 스핀트로닉 그래핀 장치를 만들었습니다.

이전 버전과 달리 강력한 자석이 필요 없으며, 다른 전자 부품과의 호환성이 크게 향상되었습니다. 그들은 이 결과를 Nature Communications¹에 “자성 그래핀에서의 양자 스핀 홀 효과”라는 제목으로 발표했습니다.

스핀트로닉스의 잠재력

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

트랜지스터와 같은 전자 부품은 전통적으로 실리콘으로 제작되며 반도체에 의존합니다. 이진수의 0과 1 신호는 전류의 흐름 또는 차단을 나타냅니다.

계산을 수행하는 대안적인 방법은 전류(전자 흐름) 대신 전자의 스핀(기본적인 양자 특성)을 이용하는 스핀트로닉스 장치입니다.

출처: Insight IAS

스핀트로닉스는 고전 전자 시스템에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있습니다, notably:

• 스핀이 훨씬 빠르게 변환될 수 있어 데이터 속도가 빨라집니다.
• 스핀을 변경하는 데 필요한 전력은 전류를 만들기 위해 전자 흐름을 유지하는 데 필요한 전력보다 적어 에너지 소비가 감소합니다.
• 복잡한 반도체 재료 대신 단순한 금속을 사용할 수 있습니다.

Spintronics is already used for hard drives and has allowed storage capacity to grow over the last decade.

“Spin is a quantum mechanical property of electrons, which is like a tiny magnet carried by the electrons, pointing up or down.

우리는 전자의 스핀을 활용하여 이른바 스핀트로닉스 장치에서 정보를 전송하고 처리할 수 있습니다.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

양자 컴퓨팅을 위한 스핀트로닉스

양자 회로를 위한 스핀트로닉스의 주요 이점

Spin is not an electric current, but a fundamental quantum characteristic of electrons, where the quantum information is stored in the orientation of the spin.

스핀트로닉스의 주요 장점은 전자를 이동시키는 대신 자기 모멘트를 전달한다는 점이며, 따라서 정보를 전달하기 위해 물질이 이동할 필요가 없습니다.

또한 이는 이미 초기 단계에서 양자 요소이므로 스핀 큐비트를 만드는 아이디어는 흥미롭습니다. 양자 컴퓨팅 시스템에서 흔히 겪는 문제는 이러한 정보를 충분히 긴 시간과 거리 동안 보존하는 것입니다.

그리고 이것이 바로 연구진이 그래핀을 이용해 해결책을 찾은 부분일 수 있습니다.

스핀트로닉스를 위한 그래핀

Graphene is a “miracle material” form of a 탄소의 2차원 층. It has potential not only in computing, but also in 초전도성, 통신, 재료 과학, and 촉매.

그 뛰어난 전기적 특성에도 불구하고, 지금까지 스핀트로닉스에 거의 사용되지 않았습니다. 그 이유는 그래핀에서 양자 스핀 전류를 감지하려면 대규모 자기장이 필요했으며, 이는 실리콘 칩에 통합하기 사실상 불가능했기 때문입니다.

연구진은 그래핀을 2차원 반강자성 반도체인 CrPS₄(크롬 티오인산염) 위에 층을 형성함으로써 외부 자기장의 필요성을 없앨 수 있었습니다.

This magnetic layer significantly altered the graphene’s electronic properties, giving rise to the quantum spin Hall (QSH) effect in graphene.

“우리는 인접한 CrPS₄에 의해 그래핀 내 스핀 전송이 변형되어, 그래핀 내 전자 흐름이 전자의 스핀 방향에 의존하게 됨을 관찰했습니다.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

The QSH effect enables electrons to move effortlessly along the edges of graphene without disruption, with all their spins aligned in the same direction.

“우리가 이제 외부 자기장 없이 양자 스핀 전류를 구현하게 된 사실은 이러한 양자 스핀트로닉스 장치의 미래 응용 가능성을 열어줍니다.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

그래핀 기반 스핀트로닉스의 미래 전망

Because the quantum spin currents are “topologically protected”, they can travel tens of micrometres long distances without losing the spin information in the circuit.

“These topologically-protected spin currents are robust against disorders and defects, making them reliable even in imperfect conditions. Preserving spin signal without any loss of information is vital for building spintronic circuits.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

This discovery paves the way toward ultra-thin, graphene-based spintronic circuits. The spin currents in graphene could create an efficient and coherent transfer of quantum information, 지금까지는 빛을 이용해 양자 컴퓨팅 구성 요소를 연결하는 데에만 제한되었습니다.

So while it is still a work in progress, this discovery makes clear that the ultimate design of quantum computers and quantum networks is yet to be decided, with materials like graphene likely to play a role in the long term (as a larger part of 재료 카테고리로서의 그래핀 반도체), as well as spintronics in general.

그래핀 기업에 투자하기

그래핀 제조 그룹 (GMG)

GMG는 열 코팅 및 윤활제와 같이 이미 입증된 그래핀 기반 제품에 제품 라인을 집중하는 그래핀 생산업체로, 산업 장비의 효율성을 높이고 있습니다.

출처: GMG

이는 그래핀 시장에 직접 노출을 원하는 투자자와 이미 대량 생산 및 현재 생산 방식을 개선하고 있는 기업을 찾는 투자자에게 GMG를 좋은 선택으로 만듭니다.

그래핀이 컴퓨팅과 같은 다른 분야에서 대규모로 사용되기 시작한다면, 기존 그래핀 기업들의 경험과 제조 능력이 이러한 시장에 진입하는 데 큰 장점이 될 것입니다.

다른 잠재적 응용 분야로는 그래핀 반도체 제작(“그래핀 반도체 – 이제 등장했나요?” 참고)이나 심지어 상온 초전도체가 있습니다. 그래핀 코팅은 배터리 및 수소 고압 용기 기술에도 활용될 수 있습니다.

GMG는 메탄과 수소를 원료로 그래핀을 생산하는데, 이는 천연 흑연 매장량에서 생산하는 대부분의 경쟁사와 차별화됩니다. 이 방식은 더 높은 순도, 확장성 및 저비용 생산을 가능하게 합니다.

출처: GMG

이 회사는 2023년에 호주에 최초 생산 시설을 개설했으며, 연간 최대 100만 리터의 열교환기 코팅을 생산합니다. 현재 연간 1천만 톤 생산으로 확장 중입니다.

회사의 다음 단계는 그래핀 알루미늄 이온 기반 배터리 기술이며, 그래핀 슬러리는 리튬 이온 배터리 양극재에 첨가제로 사용됩니다. 장기적으로는 흑연 기반 양극재를 완전히 대체할 수도 있습니다.

이 회사는 그래핀 양극을 사용한 그래핀 알루미늄 이온 배터리를 개발 중이며, 에너지 밀도는 290Wh/kg에 달합니다. 이는 광산 대기업 리오 틴토와의 협력으로 개발되었으며, 초기에는 전기차 시장보다 광업 등 중공업 분야에 적용될 가능성이 높습니다.

출처: GMG

배터리 개발 로드맵은 2025년에 파일럿 플랜트를 건설하고, 2026년에 상업 규모 공장 투자 결정을 내리며, 2027년까지 시운전 및 첫 고객에게 출하할 계획을 제시합니다.

배터리 시장 진입은 GMG에게 큰 모험일 수 있지만, 에너지 저장 및 기타 전력 관련 응용 분야를 포함한 그래핀의 미래 시장에서 독특한 기회를 제공하기도 합니다.

참조 연구

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}