KAIST, 마그논 3차원 제어 첫 규명…"양자기술 게임체인저"

전류 없이 자석으로 정보 전달하는 마그논, 3차원 홀 효과 예측 성공
마그논-솔리톤 간 복합 상호작용, 비가환 게이지 이론으로 최초 설명
뉴로모픽 연산·양자정보처리 등 차세대 IT 설계의 패러다임 흔들어

KAIST는 물리학과 김세권 교수가 독일 마인츠 대학의 리카르도 자르주엘라 박사와 공동연구를 통해, 복잡한 자석 구조 내에서 마그논과 솔리톤의 상호작용이 단순하지 않고 복잡하게 설명된다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다고 22일 밝혔다. 왼쪽부터 물리학과 김세권 교수, 독일 마인츠대학 자르주엘라 박사의 사진. 사진=KAIST

전류 없이 자석만으로 정보를 전달하는 차세대 정보 매개체 '마그논(스핀파)'이 3차원 공간에서 제어 가능하다는 사실이 세계 최초로 예측됐다.

KAIST는 22일 김세권 물리학과 교수가 독일 마인츠대학교 리카르도 자르주엘라 박사와 함께 쩔쩔맴 자성체(topologically textured frustrated magnets) 내 마그논과 솔리톤 간 상호작용을 설명하는 비가환(non-Abelian) 게이지 이론 모델을 처음으로 규명했다고 밝혔다.

KAIST측은 "이번 연구는 기존 2차원 평면에서만 가능하다고 여겨졌던 마그논 홀 효과를 3차원 공간으로 확장한 것으로, 초저전력 논리소자, 뉴로모픽 연산, 양자정보처리 등 차세대 기술 개발의 판도를 뒤바꿀 수 있는 기반으로 평가된다"고 설명했다.

기존 마그논 연구는 스핀들이 일정 방향으로 정렬된 단순 자성체를 기반으로, 비교적 단순한 '가환(Abelian)' 게이지 이론을 통해 이루어졌다. 하지만 연구팀은 복잡한 스핀 배열을 가진 쩔쩔맴 자성체에서는 마그논이 기존보다 복잡하게 얽히며, 이를 설명하기 위해 SU(3) 비가환 게이지장을 적용해야 한다는 사실을 밝혀냈다.

최초 발견된 세 가지 종류 마그논 동역할을 기술하는 모식도. 이미지=KAIST

김 교수는 "이번 연구는 마그논의 복잡한 상호작용을 설명할 수 있는 강력한 이론 틀을 제시한 것"이라며 "기존의 마그노닉스를 뛰어넘는 '비가환 마그노닉스'라는 새로운 연구 영역을 여는 개념적 전환점이 될 것"이라고 강조했다.

실제로 이 이론은 기존 양자전기역학(QED)이 아닌, 양자색역학(QCD)에 가까운 구조를 갖는 것으로, 세 가지 종류의 마그논이 솔리톤과 얽혀 상호작용한다는 새로운 물리적 해석을 가능케 한다.

이번 연구 결과는 5월 6일자 세계적 물리학 저널 'Physical Review Letters'에 게재됐으며, 논문명: Non-Abelian Gauge Theory for Magnons in Topologically Textured Frustrated Magnets, 한국연구재단의 '해외우수과학자 유치 브레인풀 플러스 사업'의 지원을 받아 수행됐다.

김지유 글로벌이코노믹 기자 tainmain@g-enews.com