새로운 종류의 자석이 1,000배 빠른 메모리를 약속했다. 실현까지 얼마나 왔나?

자성의 종류

자석은 두 종류입니다. ...라고 생각했습니다. 첫 번째는 익숙하죠. 냉장고 자석은 붙고 나침반 바늘은 북쪽을 가리킵니다. 두 번째는 1930년대에 설명됐지만 어디에도 붙지 않습니다.

원자들은 안에서 자화돼도 밖에서는 전혀 자석 같지 않습니다. 2024년 실험은 이 조용한 물질 일부가 세 번째 종류임을 확인했습니다. 물리학자들은 이를 교자성이라 부릅니다. 결정 안에서 방향에 따라 바뀌는 숨은 자기 무늬입니다. 2026년 7월, 이 개념을 정의한 세 물리학자가 유로피직스상을 받았습니다.

벌써 전자기기를 1,000배 빠르게 만든다는 영상도 있습니다. 대학 보도자료에 1,000배라는 수치가 나오지만 측정값이 아닌 전망입니다. 그렇다면 세 번째 자석은 무엇이고 왜 이름 붙이기까지 오래 걸렸으며 얼마나 실용화에 가까울까요?

자성은 전자에서 나온다

여기서 말하는 자성은 주로 전자에서 나옵니다. 전자 하나하나는 스핀이라는 양자 성질과 연결된 작은 자석처럼 행동합니다. 대부분 물질에서는 이 작은 자석들이 제각기 다른 방향을 향해 상쇄됩니다. 철에서는 아주 많은 원자에 걸쳐 같은 방향으로 정렬합니다.

정렬한 원자들이 느낄 자기장을 만들고 이런 물질을 강자성체라 합니다. 물리학자들은 강자성체가 수천 년 전부터 알려졌다고 말합니다. 운동장에 선 사람들이 모두 북쪽을 향한다고 생각해 보세요. 관중석에서는 한쪽을 보는 하나의 군중으로 보입니다.

강자성체 안에서는 다른 일도 일어납니다. 스핀이 위인 전자와 아래인 전자의 에너지가 달라집니다. 물리학자들은 이를 스핀 분리라 부릅니다. 그래서 자석은 전기로도 읽습니다. 층상 소자에서 두 자기층의 정렬을 바꾸면 전기 저항도 달라집니다. 두 가지를 기억하세요. 바깥까지 닿는 자기장과 스핀에 따라 갈라진 전자 에너지입니다.

세 번째 자석은 둘 중 하나만 유지하고 다른 하나는 버립니다.

네엘의 숨은 질서

1932년 학위 논문에서 프랑스 물리학자 루이 네엘은 다른 가능성을 제안했습니다. 이웃한 원자 자석들이 서로 반대 방향을 향할 수 있다는 것입니다. 1936년 그는 위 원자와 아래 원자가 엇갈린 두 집단을 이루는 결정을 설명했습니다. 두 집단이 상쇄돼 전체 자화는 0입니다.

이것이 반강자성입니다. 체스판처럼 검은 칸과 흰 칸이 번갈아 놓이면 멀리서는 회색으로 보입니다. 자체 작은 자석을 지닌 중성자는 물리학자들이 그 숨은 질서를 직접 보는 길을 열었습니다. 에르네스트 월런은 1944년 오크리지 흑연 원자로에서 중성자 실험을 시작했고 클리퍼드 셜은 1946년에 합류했습니다.

1949년 셜과 동료 스마트는 산화망가니즈에 중성자를 쐈습니다. 그들은 각 결정축을 따라 두 배 거리로 반복되는 자기 무늬에서 새 회절 봉우리를 발견했습니다. 숨은 체스판은 실제였습니다. 루이 네엘은 반강자성과 페리자성 연구로 1970년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.

페리자성은 반대 방향 원자 자석의 크기가 달라 일부 자화가 남는 관련 사례입니다. 엄밀히 말하면 자석은 처음부터 두 종류만이 아니었습니다. 원자 자석이 나선을 이루거나 뒤엉킨 채 얼어붙은 유리 같은 상태 등 다른 배열도 있습니다. 하지만 원자들이 곧게 위나 아래를 향하는 자석에서는 교과서가 단순한 구분을 유지했습니다.

모두 정렬하면 강자성체입니다. 번갈아 배열돼 상쇄되면 반강자성체입니다. 노벨상 강연에서 네엘은 반강자성체가 이론적으로 몹시 흥미롭지만 응용은 없어 보인다고 했습니다. 수십 년 동안은 그 말이 맞아 보였습니다.

조용하지만 읽기 어려운 자석

그러다 자기 저장 장치가 급성장했습니다. 1988년 알베르 페르와 페터 그륀베르크가 거대 자기저항을 각각 발견했습니다. 아주 작은 자기 변화가 전기 저항 차이로 바뀌는 현상입니다. 이를 쓴 최초의 하드디스크 읽기 헤드는 1997년에 나왔고 발견은 2007년 노벨 물리학상을 받았습니다.

MRAM이라 부르는 자기 메모리 칩도 자석으로 비트를 저장해 전원이 꺼져도 데이터가 남습니다. 하지만 강자성 비트에는 구조적 문제가 있습니다. 자기장이 물질 밖으로 새어 나와 빽빽한 비트들이 서로 방해할 수 있습니다. 반강자성체에는 누설 자기장이 거의 없어 이웃 비트가 방해하는 한 경로를 없앱니다.

한 시험에서 자기장 세기 단위인 12테슬라까지, 냉장고 자석 자기장의 1,000배가 넘는 자기장도 반강자성 메모리 비트를 흔들지 못했습니다. 반강자성체는 더 빠를 수도 있습니다. 2018년 한 연구팀은 구리, 망가니즈, 비소로 만든 메모리에 데이터를 썼습니다. 250피코초 펄스를 사용했죠.

각 펄스는 10억분의 1초의 4분의 1 동안 이어졌고 최대 4기가헤르츠, 초당 40억 회였습니다. 이어 테라헤르츠 펄스를 썼습니다. 초당 1조 번 진동하는 빛의 묶음으로 각각 약 1피코초, 1조분의 1초였습니다. 연구진에 따르면 강자성체의 비슷한 전환은 5기가헤르츠를 크게 넘지 못했습니다. 그들은 반강자성체와 비교해 테라헤르츠 속도로 구동한 강자성체라면

같은 면적에 약 100배의 전류와 약 1,000배의 에너지가 필요하다고 추산했습니다. 반강자성체는 안정적이고 빽빽하게 담을 수 있으며 빠릅니다. 하지만 강한 전기 신호를 끌어내기는 어렵습니다. 물리학자 리보르 슈메이칼은 자화를 유용한 성질이자 "적"이라고 불렀습니다.

반강자성체도 전기로 읽을 수 있지만 강자성 소자가 의존하는 강한 스핀 분리가 없습니다. 가까운 비트끼리 방해하는 자기 혼선을 줄일 만큼 조용하지만 읽고 제어하기는 어렵습니다. 공학자들이 원한 것은 반강자성체처럼 조용하면서 강자성체처럼 전자를 읽을 수 있는 자석이었습니다.

빠진 회전

2019년 1월, 슈메이칼, 하이로 시노바, 토마시 융비르트와 동료 곤살레스 에르난데스는 일부 반강자성체에 관한 예측을 내놓았습니다. 그들은 작은 원자 자석이 상쇄돼도 이 자석들이 홀 신호를 낼 수 있다고 주장했습니다. 홀 신호는 전류에 직각으로 물질을 가로지르는 전압으로, 보통 강자성체와 연결됩니다.

2022년 독일 마인츠와 체코 프라하에서 일하던 슈메이칼, 시노바, 융비르트는 완전한 분류를 발표했습니다. 그들은 상쇄되는 자석을 대칭성 질문으로 분류했습니다. 어떤 움직임 뒤에도 무늬가 같아 보일까요? 위 원자를 아래 원자로 바꾸는 움직임은 무엇일까요? 일반 반강자성체에서는 한 칸 이동하거나 중심점을 기준으로 뒤집으면 위 원자가 아래 원자에 대응됩니다.

그 움직임은 주변 원자에도 맞아야 합니다. 새 분류에서는 이동이나 뒤집기만으로 안 되고 주변 원자를 맞추려면 회전이 필요합니다. 연구진은 교자성이라는 이름을 제안했습니다. Science News는 미술의 비유를 빌렸습니다. 반강자성체가 체스판이라면 교자성체는

빈틈없이 맞물린 도형의 M. C. 에셔 테셀레이션과 같습니다. 이웃 타일은 색만 바뀌지 않고 방향도 돌아갑니다. 자기 원자는 돌지 않고 주변이 돕니다. 자기 원자는 산소나 텔루륨 같은 이웃 원자가 만든 작은 우리 안에 놓입니다.

교자성체에서는 위 원자 주변 우리는 한쪽을 보고 아래 원자 주변 우리는 회전해 있습니다. 연구진은 교자성이 흔하고 가벼운 원소의 결정에서도 생길 수 있다고 썼습니다.

방향에 따라 갈라지는 전자

회전한 우리가 전자 움직임을 바꿉니다. 교자성체도 강자성체처럼 스핀 위아래 전자 에너지가 다릅니다. 하지만 차이는 전자 진행 방향에 따라 달라지고 방향을 돌리면 부호도 뒤집힙니다. 간단한 예로 네거리 교차로를 떠올려 보죠.

남북 도로에선 스핀 위 전자가 빠른 차선을 얻습니다. 동서 도로에선 스핀 아래 전자가 그 차선을 얻습니다. 결정 전체에서 반대 자기 모멘트가 상쇄돼 바깥 자기장은 없습니다. 하지만 이 예에선 한 도로의 전류가 한 스핀을 선호할 수 있습니다.

이처럼 부호가 번갈아 바뀌는 것이 교자성체라는 이름의 뜻입니다. 가장 단순한 무늬는 네 잎 클로버 같고 저자들은 이를 전자쌍이 비슷한 네 갈래 무늬를 보이는 d파 초전도체와 비교했습니다. 이 효과엔 무거운 원자에서 가장 강한, 전자 스핀과 움직임을 잇는 스핀-궤도 결합이 필요 없습니다.

이산화 루테늄 계산에서 특정 방향 전자의 분리는 약 1전자볼트였습니다. 2022년 비교에서 이는 상대론이 만든 최대 분리 기록보다 약 10배 컸고 그 기록은 무거운 원소의 벌크 결정, 얇은 층 아닌 고체 결정에서 나왔습니다. 전자볼트는 작은 에너지 단위지만 결정 속 전자엔 1전자볼트가 큽니다.

이어 실험이 나왔습니다. 2024년 2월 국제 연구팀이 망가니즈 텔루라이드 측정 결과를 보고했습니다. MnTe는 폴 셰러 연구소 스위스 광원에서 측정했습니다. MnTe는 오랫동안 일반 반강자성체로 분류됐습니다.

연구진은 빛으로 전자를 떼어내 에너지, 방향, 스핀을 재는 스핀 분해 광방출을 사용했습니다. 분리는 실제였고 결과는 Nature에 실렸습니다. 일본 도호쿠대 연구진은 특정 방향에서 MnTe의 분리가 최대 0.8전자볼트임을 측정했습니다. MnTe는 307켈빈, 약 34도 섭씨까지 자기 질서를 유지합니다.

2024년 3월 마인츠 연구팀은 아주 얇은 층, 박막에서 크로뮴과 안티모니로 만든 전도성 물질인 크로뮴 안티모나이드 CrSb의 분리를 보고했습니다. 2025년 다른 연구팀은 CrSb의 분리를 3차원으로 지도화했습니다. 전류를 나르는 전자의 에너지 근처에서 최대 약 1.0전자볼트였습니다.

CrSb는 약 705켈빈, 대략 430도 섭씨까지 질서를 유지합니다. 무늬가 클로버보다 복잡하고 갈래도 많아 물리학자들은 g파라고 부릅니다. 2024년 후반 노팅엄대 주도 연구팀은 스웨덴 MAX IV 연구소에서 X선으로 MnTe를 촬영했습니다. 머리카락보다 수천 배 얇은 30나노미터 막을 약 영하 173도 섭씨에서 관찰해

반대 방향으로 감기는 소용돌이와 반소용돌이 무늬를 발견했습니다. 막을 모양 내거나 자기장 속에서 식혀 원하는 배열을 만들 수 있었습니다. 피터 워들리는 이를 "비틀림 있는 반강자성체 같다"고 설명했습니다. 마인츠대에 따르면 Science는 교자성을 2024년 돌파구 중 하나로 꼽았습니다.

단순한 이야기에는 수정이 필요합니다. MnTe는 완전히 상쇄되지 않습니다. 망가니즈 원자마다 전자 자기 세기의 약 1,000분의 1인 작은 자화가 남습니다. 아주 작지만 연구자들은 이를 자기 질서를 제어하는 손잡이로 쓸 수 있습니다.

서랍 속에 숨겨진 자석

토마시 융비르트는 교자성이 "사람들이 그냥 서랍에 넣어둔 많은 결정"에 있다고 말했습니다. Science News가 전한 데이터베이스 추산은 교자성 후보를 232개로 셌습니다. 강자성체 후보 193개보다 많지만 반강자성체 후보 827개보다는 훨씬 적습니다. 하이로 시노바는 100년 넘게 "숨어 있던" 뚜렷한 자기 상태, 자기 상을 말했습니다.

좋은 헤드라인이지만 전부는 아닙니다. 2020년 정거, 라시바와 동료들의 논문은 자기 스핀 분리 이론을 1964년 페카르와 라시바까지 거슬러 올립니다. 2019년 8월 일본 물리학자 하야미, 야나기, 구스노세는 일부 반강자성체가 스핀-궤도 결합 없이 전자를 스핀으로 분리할 수 있음을 보였습니다.

2019년 12월 정거 연구진은 망가니즈 플루오라이드에서 최대 약 300밀리전자볼트, 1전자볼트의 약 3분의 1인 분리를 스핀-궤도 결합 없이 예측했습니다. 망가니즈 플루오라이드는 망가니즈와 플루오린으로 된 물질입니다. 망가니즈 플루오라이드는 67켈빈, 약 영하 206도 섭씨 아래에서만 질서를 이룹니다. 옥스퍼드의 파올로 라다엘리는 저자마다 교자성 정의가 조금씩 다르다고 지적했습니다.

그는 결정을 누르거나 늘이면 자화가 바뀌는 압전 자기 현상이 1950년대부터 알려졌다고도 말했습니다. 그는 슈메이칼과 동료들이 이 용어를 만들었다고 봅니다. 그래도 이론물리학자 이고르 마진은 Science News에 "어쩐지 아무도 이 가능성을 생각하지 못했다"고 말했습니다. 이 조각들은 수십 년간 논문 곳곳에 흩어져 있었습니다.

마인츠와 프라하 연구팀이 더한 건 완전한 대칭성 분류, 이름, 실험을 이끈 예측이었습니다. 그 연구소에 따르면 초기 이론은 2025년에만 1,000번 넘게 인용됐습니다. 2026년 7월 유럽물리학회는 슈메이칼, 시노바, 융비르트에게 교자성 발견으로 유로피직스상을 수여했습니다.

메모리의 꿈

이 모든 것이 연구실 밖에서 왜 중요할까요? 많은 메모리가 이미 자성으로 작동하기 때문입니다. 2019년 삼성은 28나노미터 칩 공정으로 다른 칩에 내장되는 MRAM의 양산을 발표했습니다. 쓰기 속도는 내장형 플래시보다 약 1,000배 빠르고 전원이 꺼져도 데이터가 남는다고 했습니다.

2021년 Everspin은 256킬로비트 MRAM 칩이 Lucid Air 전기차의 주 구동계에 설계됐다고 밝혔습니다. 삼성의 1,000배는 이미 존재하는 두 종류의 메모리를 비교한 수치입니다. 교자성체와는 무관합니다. 교자성체는 그 두 조건을 모두 약속합니다.

강자성체처럼 전자가 스핀으로 갈라져 원리상 전기로 읽을 수 있습니다. 반강자성체처럼 순자화가 사실상 0이어서 비트를 자기장 누설 없이 가깝게 놓을 수 있습니다. 그 연구소는 이런 상이 강자성체의 확장성 한계, 곧 비트를 얼마나 빽빽하게 담을 수 있는지의 한계를 없앨 수 있다고 말합니다. 노팅엄 보도자료는 더 나아가 부품을 바꾸면 "속도가 1,000배 늘 수 있다"고 했습니다.

미래 부품에 대한 전망이지 측정한 속도 향상이 아닙니다. 2018년 테라헤르츠 쓰기는 교자성체가 아니라 일반 반강자성체에서 이뤄졌습니다. 교자성체의 첫 전환 실험은 아주 최근 일이라 메모리 칩까지는 아직 멉니다.

앞으로 남은 거리

기술은 실제 어디까지 왔을까요? MRAM 셀 기본 부품은 자기 터널 접합입니다. 전류를 거의 안 통과시키는 아주 얇은 절연층 사이에 자기층 두 개가 놓입니다. 두 층이 같은 방향과 반대 방향을 볼 때 저항이 다릅니다.

이 변화를 터널 자기저항, TMR이라 합니다. 강자성 MRAM의 TMR은 수백 퍼센트에 이를 수 있습니다. 2025년 6월 한국 UNIST 연구팀은 이산화 루테늄 RuO2 기반 터널 접합을 만들고 그 신호를 교자성으로 해석했다고 발표했습니다.

다른 층은 이산화 티타늄과 일반 강자성체 코발트철붕소였습니다. 터널 자기저항은 10켈빈, 영하 263도에서 약 5퍼센트였습니다. 약 50켈빈 넘으면 거의 사라졌습니다. 융비르트 등 2025년 검토 논문은 교자성체에서도

강자성체와 맞먹는 터널 자기저항이 예측된다고 말합니다. 예측일 뿐 측정되진 않았습니다. 두 번째 문제는 물질 자체입니다. 이산화 루테늄은 초기 대표였습니다.

2024년 초 독일 DESY 연구팀은 전자 에너지와 방향을 지도화하는 운동량 현미경으로 시간을 거꾸로 돌리면 전자 무늬가 바뀌는 시간 반전 대칭성의 뚜렷한 깨짐을 보고했습니다. 그러나 같은 해 작은 자기 탐침인 수명 짧은 입자 뮤온과 중성자 실험은 시험한 결정과 박막에서 검출 가능한 자기 질서를 못 찾았습니다.

2026년 벌크 결정 추가 측정도 질서를 못 찾았지만 2나노미터 박막은 성장 기판 결정에 눌리거나 늘어나 무늬 있는 자기 방향을 보였습니다. 2026년 검토 논문은 이산화 루테늄의 자기 바닥 상태, 가장 낮은 에너지 자기 배열이 "여전히 논쟁 중"이라고 요약합니다. 터널 접합 신호는 실제 측정값이지만 교자성 신호인지는 여전히 논쟁 중입니다.

그래서 영상은 MnTe와 CrSb에 초점을 맞춥니다. 세 번째 문제는 전환입니다. 메모리는 명령대로 비트를 뒤집고 상태를 유지해야 합니다. 무늬가 한 방향인 영역인 자기 도메인 제어는 검토 논문이 말한 "핵심 전제 조건"입니다.

앞선 툴륨 철 산화물 실험은 질서를 잠시만 재정렬했고 전원이 없으면 유지되지 않았습니다. CrSb가 성과를 낸 곳이 여기입니다. 2025년 2월 연구팀은 Nature에 전류가 CrSb 박막의 교자성 질서를 바꾸고 박막이 실온에서 읽을 홀 신호를 낸다고 보고했습니다.

2026년 8월 다른 연구팀은 크로뮴 안티모나이드 질서를 읽고 백금과 텔루륨 물질인 백금 디텔루라이드도 든 층상 소자에서 원하는 상태로 바꿀 수 있다고 보고했습니다. 연구진은 이것이 "확장 가능한 교자성 메모리의 길을 열 수 있다"고 썼습니다. 온도도 희소식입니다.

MnTe, CrSb, 새 바나듐 화합물 둘은 모두 실온 이상에서 질서를 유지합니다. 현재 상황은 이렇습니다. 여러 물질에서 물리 현상은 확인됐습니다. 실온 질서와 전기로 읽고 바꾸는 첫 실험도 보고됐습니다.

아직 없는 건 실온에서 전기로 전환되고 오늘 MRAM만큼 강한 판독 신호를 내는 메모리 셀, 경쟁할 칩은 더더욱 없습니다.

두 가지보다 많다

다시 냉장고 자석으로 돌아가죠. 모두 아는 시끄러운 자석입니다. 하지만 그 데이터베이스에선 모멘트가 상쇄되는 자석이 강자성체보다 5배 넘게 많습니다. 거의 한 세기, 조용한 자석 대부분을 한 범주로 묶었습니다.

그중 일부는 줄곧 전자를 차선에 나눴습니다. 새 물질 없이도 찾을 수 있었습니다. MnTe는 이미 서랍에 있었습니다. 바뀐 건 대칭성에 물리학자가 던진 질문입니다.

그 질문이 기기 메모리를 바꿀지는 아직 모릅니다. 추가 실험이 이 물질의 한계를 보여줄 겁니다. 지금 정직한 답은 자석이 둘 이상이고 아직 분류 중이라는 겁니다.