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자석은 N극과 S극으로 이루어져 있고, 이 극성은 외부 자기장의 인가를 통해 뒤집어질 수 있다. 스핀트로닉스란 이러한 자성을 전자의 스핀을 활용하여 제어하는 것을 목표로 한다. 전자의 스핀을 자석에 주입하게 되면, 각운동량 보존법칙에 의해 자화 동역학이 발생하게 된다. 이를 잘 활용하면 자석의 극성을 뒤집을 수도 있고, 특정한 주파수로 자화를 떨게 만들 수도 있다. 자화의 동역학은 스핀류의 크기뿐만 아니라, 자성의 내재적인 특성에도 의존한다. 자화를 수직한 방향으로 눕히는데 필요한 에너지(자기 이방성 에너지)는 이와 관련하여 가장 중요한 파라미터중 하나이다. 이러한 특성을 전기적으로 제어하는 것은 자성소자에서 중요한 이슈가 되고 있다. 예를들어, 자기 이방성 조절을 통해 자화가 떠는 속도를 제어할 수 있게 되거나, 자화가 반전되기 위하여 필요한 스핀류의 양이 달라질 수 있기 때문이다.

그렇다면 어떻게 자성을 제어할 수 있을까? 자성은 전자의 스핀으로부터 발생하니 전자의 특성을 제어하면 될 것이다. 바로 떠오르는 생각은 반도체에서 많이 사용하는 게이팅 방법이다. 물질에 전기장을 인가하여 전자의 개수를 조절할 수 있었다. 하지만 이쪽 분야에서 사용하는 자성물질은 대부분 금속 물질 이므로, 높은 자유전자 밀도로 인해 전기장을 효과적으로 인가하는 것이 어렵다. 이러한 상황에서, 2015년도에 어느 연구 그룹은 중요한 연구 결과를 발표하였다. 바로, 산소이온을 물질에 주입하고 꺼내는 방법을 사용하여 자성특성을 제어하는 것이었다. 그들은 가돌리늄 산화물을 사용하여 자성체인 코발트에 산소를 주입하여 수직 자기이방성을 갖고 있는 물질을 수평 자기이방성을 갖게 만들었다.

우리는 가돌리늄이 자성체라는 사실에 주목하였다. 따라서, 가돌리늄의 산화도를 조절하면 그 자체로 자성이 조절이 될 것이기 때문이다. 우리는 가돌리늄을 부분적으로 산화시킨 후에 전기장을 걸었더니 급격하게 저항이 변화하는 현상을 발견하였다. 게다가, 이를 현미경으로 관찰하였더니 이온이 움직이는 것을 볼 수 있었다. (지도교수님은 뭐든(야구공, 자구벽 등…) 움직이는 것을 관찰하기를 좋아하시는 분이셔서, 이온의 움직임이 현미경을 통해 보인다는 사실에 상당히 흥미로워 하셨었다.) 또한, 온도를 내려서 가돌리늄의 자성이 발생하는 영역에서 자기저항이 산화정도에 따라서 달라지는 것을 파악하였다.

기존 연구와 달리 본 연구에서는 샘플의 면내방향으로 산소농도 차이를 발생시킬 수 있었다는 점이 흥미로웠다. 이는 추가적으로 다른 연구로 이어질 거리가 많기 때문이다. 예를 들어, 면내방향으로의 대칭성 붕괴에 의한 field-free 전류 구동 자화 반전과 같은 실험을 추가적으로 생각해 볼 수 있을 것이다. 또한, Co나 Fe과 같은 물질을 함께 사용하여 전기적으로 페리자성체의 조성을 조절하는 실험을 생각해 볼 수 있을 것이다.

저자 강준호
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