레이저가 일상 금속에서 숨겨진 자기성을 밝혀내다

기술 세계는 빠르게 발전하고 있으며, 연구자들은 매일 새로운 발견을 하고 있습니다. 바로 지난 주에 과학자들이 그들의 연구를 발표했으며, 오래된 물리학 미스터리를 풀었습니다.

히브리 대학교와 펜실베니아 주립대학, 맨체스터 대학교가 협력하여 수행한 이번 연구는 빛과 변형된 레이저 방법만을 이용해 일반적으로 자기성을 띠지 않는 금속에서 미세한 자기 신호를 감지했습니다.

비자성 물질에서 나타나는 이러한 미세한 자기 효과는 마치 “속삭임”과도 같아 이전에는 눈에 띄게 작아 감지할 수 없었습니다. 하지만 이제는 측정이 가능해졌으며, 새로운 전자 행동 양식을 밝혀냈습니다. 이러한 현상은 이번 연구까지 숨겨져 있었습니다.

이 발견을 통해 과학자들은 일상 재료에서의 자기성을 조사하는 방식을 완전히 바꾸었으며, 와이어나 거대한 장비 없이도 가능해졌습니다. 이는 메모리 저장, 양자 컴퓨팅, 그리고 더 작고 빠르며 고도화된 전자기술에 새로운 길을 열어줄 수 있습니다.

‘조용한’ 금속에서 미세 자기 반응을 풀다

Nature Communications 학술지¹에 발표된 이번 연구는 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈럼(Ta), 백금(Pt) 등과 같은 금속에서 미세한 자기 신호를 식별하는 새로운 방법을 제시합니다.

우리는 전류가 자기장 안에서 휘어지는 현상, 즉 홀 효과를 오래전부터 알고 있었습니다. 이 효과는 철과 같은 자기성 물질에서는 강하고 잘 알려져 있지만, 금과 같은 비자성 금속에서는 매우 약합니다.

광학 홀 효과(OHE)는 빛과 자기장이 상호작용할 때 전자의 거동을 시각화하는 관련 현상입니다.

하지만 가시 파장에서 OHE는 너무 미세해 과학자들이 감지하기 어렵습니다. 따라서 우리는 효과가 존재한다는 것을 알면서도 실제로 측정할 도구가 부족했습니다.

“수십 년 동안 시끄러운 방에서 속삭임을 듣는 것과 같았습니다. 모두가 속삭임이 존재한다는 것을 알았지만, 이를 들을 만큼 민감한 마이크가 없었습니다.”

– 히브리 대학교 전기공학 및 응용물리학 연구소의 아미르 카푸아 교수

카푸아 교수에 따르면 구리와 금과 같은 금속은 “자기적으로 ‘조용’하다”고 여겨졌습니다. 예를 들어 금과 구리는 철처럼 냉장고에 달라붙지 않습니다. “하지만 실제로는 적절한 조건에서 이들 역시 자기장에 반응하지만, 그 반응은 극히 미세합니다.”라고 그는 덧붙였습니다. 그리고 이러한 미세 효과를 관찰하는 것은 항상 도전이었습니다.

그래서 다른 대학들과 협력하여 연구팀은 비자성 물질에서 이러한 매우 작은 자기 효과를 어떻게 감지할 수 있을지 조사했습니다.

이를 위해 연구팀은 자기광학 커크 효과(MOKE)라는 기술을 사용하고 이를 업그레이드했습니다. MOKE 방법에서는 레이저를 이용해 자기장이 빛의 방향에 미치는 영향을 측정합니다.

The study notes that, because the anomalous Hall effect (AHE) observed in ferromagnets (materials like iron, nickel, or cobalt with long-range, parallel alignment of atomic moments resulting in spontaneous net magnetization) is much stronger than the ordinary Hall effect (OHE), the optical Hall effect is much weaker than the magneto-optical Kerr effect (MOKE). It is so weak that it can hardly be detected in visible light.

따라서 MOKE 기술을 변형한 이유가 여기 있습니다. 연구진은 외부에서 가해지는 자기장의 대진폭 변조에 기반한 MOKE 기술을 제시했습니다. 이를 위해 회전 디스크에 영구 자석을 배치했습니다.

연구팀은 440 nm 청색 레이저와 결합하여 기술의 감도를 크게 높였습니다. 그 결과, 비자성 금속에서 이전에는 거의 불가능하다고 여겨졌던 자기 “에코”를 감지할 수 있게 되었습니다. 연구는 다음과 같이 언급했습니다:

“이 기술의 뛰어난 감도는 스핀-오비트 상호작용을 광학적으로 규명하는 등 새로운 현상과 응용을 발견하는 길을 열어줍니다.”

광학 에코가 금속 내 숨겨진 자기 신호를 드러내다

홀 측정은 재료 연구와 고체 물리학에서 핵심 기술입니다. 홀 효과는 원자 수준에서 물질을 연구하고 금속 내 전자 수를 파악하는 데 사용됩니다. 이는 기초 연구와 실용 응용 사이의 격차를 메우는 데 중요합니다.

하지만 전통적으로 이 효과를 측정하는 과정은 특히 나노미터 규모의 작은 부품을 다룰 때 까다롭고 시간이 많이 소요됩니다. 과거에는 장치에 와이어를 부착해야 했지만, 이제는 더 이상 필요하지 않습니다.

새로운 접근법은 매우 간단합니다; 레이저만 비추면 됩니다.

카푸아 교수는 홀 효과를 발견한 에드윈 홀조차 빛을 이용해 측정하려는 시도에서 성공하지 못했다고 언급했습니다. 그는 1881년 논문의 마지막 문장을 인용했습니다:

“은이 철의 1/10 정도의 강도로 작용한다면, 효과가 감지되었을 것입니다. 그러나 그런 효과는 관찰되지 않았습니다.”

하지만 최신 연구에서는 과학자들이 “올바른 주파수에 맞추고 어디를 봐야 할지 알면서” 효과를 관찰했다고 카푸아 교수는 말했습니다.

그는 “한때 보이지 않는다고 여겨졌던 것을 측정하는 방법을 찾았다”고 덧붙였으며, “이 연구는 150년 된 과학적 문제를 새로운 기회로 바꾸었다”고 강조했습니다.

더 깊이 파고들면서 팀은 신호에 섞여 있던 ‘잡음’이 실제로는 명확한 의미와 패턴을 가지고 있음을 발견했습니다.

그 패턴은 스핀-오비트 결합(SOC)과 관련이 있었습니다. 이 양자적 특성은 전자의 이동 방식과 스핀 회전 방식을 연결하며, 이는 물질 내 자기 에너지 소산 방식에 영향을 줍니다.

새롭게 얻은 통찰은 스핀트로닉 장치, 자기 메모리, 양자 시스템 설계에 직접적이고 중요한 함의를 가집니다.

“라디오의 잡음이 단순한 간섭이 아니라 누군가가 속삭이는 귀중한 정보라고 발견한 것과 같습니다. 이제 우리는 빛을 이용해 전자들의 숨겨진 메시지를 ‘듣고’ 있습니다.”

– 히브리 대학교 박사과정 학생 나다브 암 샬롬

이 새로운 기술은 거대한 자석이나 극저온 조건 없이도 금속 내 자기성을 탐색할 수 있는 비침습적이며 고감도 도구를 제공합니다.

이 기술의 단순함과 정밀성은 엔지니어가 보다 에너지 효율적인 시스템, 빠른 프로세서, 높은 정확도의 센서를 구축하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.

하지만 이것은 시작에 불과합니다. 연구팀은 향후 연구에서 적용 가능한 물질 스펙트럼을 확대할 계획이라고 밝혔습니다. 여기에는 추가적인 금속, 다층 박막, 반도체, 토폴로지 및 2D 물질이 포함됩니다.

또한 “온도 의존 측정은 특히 흥미롭다. 이는 잡음 메커니즘에 대한 핵심 통찰을 제공하고 그 근원을 더 깊이 이해하는 데 기여할 수 있다”고 연구는 언급했습니다.

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홀 효과를 확장하여 새로운 가능성을 열다

지난 1년 동안 연구자들은 홀 효과 기술을 지속적으로 탐구하며 가능성의 경계를 넓혀 왔습니다. 고전적인 전기 홀 측정을 기반으로 과학자들은 새로운 영역을 발견하고 있으며, 이는 변혁적인 전환을 예고합니다.

이에는 텔루륨(Te)에서 실온에서의 상당한 비선형 홀 효과(NLHE) 발견이 포함됩니다. 연구²는 교류 전류(AC)를 가했을 때 외부 자기장 없이도 2차 고조파 신호를 생성하는 현상을 보고했습니다.

NLHE는 홀 효과 계열의 새로운 멤버로, 주파수 배배 및 정류 장치에 활용 가능성 때문에 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 낮은 작동 온도와 낮은 홀 전압 출력 등 제약으로 실용화가 제한되었습니다.

이에 중국 과학원(Chinese Academy of Sciences) 소속 중국과학기술대학(USTC) 연구팀은 반도체 재료 중에서 눈에 띄는 NLHE를 보이는 시스템을 탐색했습니다. 그들은 텔루륨의 1차원 나선형 구조가 비대칭성을 갖고 있어 NLHE에 적합하다고 판단했습니다.

얇은 텔루륨 플레크를 시험한 결과, 실온에서 상당한 비선형 홀 효과를 발견했습니다. 300 K에서 최대 2차 고조파 출력은 기존 기록보다 한 차례 높아 2.8 mV에 달했습니다.

깊이 분석한 결과, 얇은 텔루륨 플레크에서 관찰된 NLHE는 주로 외부 산란에 기인했으며, 구조 표면 대칭성 파괴가 핵심 역할을 했습니다.

이를 바탕으로 교류 전류를 라디오 주파수(RF) 신호로 대체하여 텔루륨 얇은 플레크에서 무선 RF 정류를 구현했고, 0.3 ~ 4.5 GHz 범위에서 안정적인 정류 전압을 얻었습니다. 이 방식은 첨단 전자 장치 개발에 새로운 가능성을 열어줍니다.

최근 뉴사우스웨일스 대학교 연구진은 토폴로지 절연체인 Bi₂Se₃와 Sb₂Te₃의 벌크 상태를 조사했으며, 발견³한 바에 따르면 궤도 홀 토크가 스핀 홀 토크보다 전하 전류를 스핀 전류로 변환하는 데 더 효율적이라고 합니다.

벌크 상태는 토폴로지 절연체에서 일반적인 스핀 홀 효과(SHE)보다 최대 3 배 큰 궤도 홀 효과(OHE)를 일으키며, 이는 전도 전자의 궤도 각운동량이 스핀보다 크기 때문입니다.

연구는 TI(토폴로지 절연체) 스핀 토크 장치에서 궤도-스핀 변환을 최적화하는 것이 자기화 제어 효율을 높이는 핵심이며, 이를 위해서는 고급 기술과 특정 강자성체가 필요하다고 지적했습니다.

한편, 요하네스 구텐베르크 대학교 연구진은 보여주었습니다⁴ Cr, Nb, Ru 층의 향상된 궤도 홀 전도성을 수직 자기화된 강자성층과 결합하여 스핀-오비트 토크(SOT) MRAM 장치에 활용하는 효율적인 방법을.

SOT‑MRAM은 정적 RAM에 비해 성능, 비휘발성, 전력 효율이 뛰어납니다. 장치의 장기 데이터 유지와 효율적인 자기 전환을 위해서는 수직 자기이방성(PMA)을 가진 강자성체와 궤도 홀 효과(OHE)로 증폭된 토크가 필요합니다.

이에 연구팀은 선택된 OHE 층 위에 Co/Ni 기반 PMA(3층) 강자성층을 설계하고, 궤도 홀 전도성(OHC)의 잠재력을 조사했습니다.

그 결과 토크 효율이 30 % 향상되고 전환 전력이 60 % 감소했으며, 이는 차세대 고밀도 캐시 메모리용 SOT‑MRAM 성능을 크게 끌어올릴 수 있음을 시사합니다.

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Everspin Technologies (MRAM )는 전하가 아닌 전자 스핀을 이용해 데이터를 저장합니다. 이는 비휘발성 RAM인 MRAM 솔루션을 선도적으로 개발하는 기업으로, 자기 영역에 데이터를 저장합니다.

MRAM은 전자 스핀의 자기성을 활용해 비휘발성을 제공하고, 실리콘 회로와 통합된 자기 물질에 정보를 저장하여 플래시의 비휘발성과 SRAM의 속도를 하나의 장치에 결합합니다.

그의 MRAM 제품군에는 토글 MRAM이 포함되며, 이는 Everspin이 특허받은 토글 셀 설계를 사용해 고밀도 메모리를 제공하고 높은 신뢰성을 보장합니다. 또 다른 제품은 스핀 전이 토크 MRAM(STT‑MRAM)으로, 전류에 의해 전자 스핀을 조작해 MTJ의 원하는 자기 상태를 설정합니다.

Everspin Technologies (MRAM )

시가총액 1억 5천만 달러인 Everspin은 현재 주당 6.68 달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 4.54 % 상승했습니다. EPS(TTM)는 -0.01이며, P/E(TTM)는 -451.35입니다.

2025년 3월 31일에 종료된 1분기 동안 회사는 총 매출 1,310만 달러를 기록했습니다. 토글 및 STT‑MRAM 매출을 합친 MRAM 제품 매출은 1,100만 달러였으며, 라이선스, 로열티, 특허 및 기타 매출은 210만 달러였습니다.

이 기간 동안 총 이익률은 51.4 %였으며, GAAP 영업비용은 870만 달러, GAAP 순손실은 120만 달러(희석 주당 $(0.05))였고, 비GAAP 순이익은 40만 달러(희석 주당 $0.02)였습니다.

분기 말 현금 및 현금성 자산은 4,220만 달러로 증가했습니다.

올해 Everspin은 퍼듀 대학교와 계약을 체결해 MRAM을 에너지 효율 AI용 CMOS+MRAM 하드웨어(CHEETA) 프로그램의 기반으로 활용하고 있습니다. 또한 PERSYST MRAM은 모든 Lattice Semiconductor FPGA에 대한 구성 검증을 받았습니다.

올해 초, 회사는 자동차용 온도 범위를 갖춘 Orion xSPI 제품군에 두 가지 새로운 제품을 발표했으며, 극한 환경에서 지속적인 고속 메모리 요구를 충족합니다.

“우리는 기존 및 신규 고객이 미션 크리티컬 애플리케이션에서 Everspin의 견고한 MRAM 제품과 기술을 설계 수주 및 전략적 방사선 내성 프로그램을 통해 배치할 것으로 기대합니다.”

– Aggarwal

Latest Everspin Technologies (MRAM) Stock News and Developments

결론

새로운 연구가 발표될 때마다 과학자들은 수년간 파악하지 못했던 현상을 밝혀냅니다. 이번 최신 연구는 미세한 광학 신호를 명확한 자기 존재로 전환함으로써 비침습적 전자 스핀 탐사의 새로운 길을 열었습니다. 또한, 이전에 잡음으로 여겨졌던 신호가 풍부한 스핀‑오비트 정보를 담고 있음을 밝혀냈으며, 이는 스핀트로닉 설계, 자기 메모리, 양자 기술을 변혁시켜 보다 에너지 효율적인 장치와 향상된 데이터 저장 용량을 구현할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

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References:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, S. T.; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, D. R.; Stiles, M. D.; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. 민감한 MOKE 및 광학 홀 효과 기술을 가시 파장에서 적용: 길버트 감쇠에 대한 통찰. Nature Communications, 16, 6423 (2025). 2025년 7월 17일 온라인 출판. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Cheng, B.; Gao, Y.; Zheng, Z.; Wang, K.; Liu, X.; Li, Z.; Wang, G.; Liu, Y.; Huang, J.; Lai, J.; Xu, C.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Wang, J.; Lin, X.; Xu, X.; Lu, H.; Xu, Y. 실온에서 원소 반도체 텔루륨의 거대한 비선형 홀 및 무선 정류 효과. Nature Communications, 15, 5513 (2024). 2024년 6월 29일 온라인 출판. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. 3D 토폴로지 절연체 벌크 상태에 의한 거대한 궤도 홀 효과. npj Spintronics, 3, 22 (2025). 2025년 6월 3일 온라인 출판. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sinn, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Kläui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. 스핀‑오비트 토크 MRAM에서 궤도 홀 효과 활용. Nature Communications, 16, 130 (2025). 2025년 1월 2일 온라인 출판. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x