상온에서 전기장을 이용한 비휘발성 다중 상태 자화율의 제어

상온에서 전기장으로 자화율을 제어할 수 있는 신물질을 찾는 연구는 차세대 다기능성 응용 소자로의 이용 측면에서 매우 중요한 과제이다. 특히 자성과 강유전성이 동시에 나타나며 상호 결합되어 있는 다강체는 이러한 과제를 해결할 수 있는 물질로서 각광을 받고 있다. 하지만 이 물질에서 자기장을 이용하여 효과적으로 전기 편극을 제어하는 연구에는 큰 진전이 있던 것과는 달리, 전기장을 이용하여 자화율을 제어하는 일은 상온보다 매우 낮은 온도에서 제한적으로만 구현되어 왔다.

본 연구진은 자기전기성체 헥사페라이트 Ba0.52Sr2.48Co2Fe24O41 단결정을 이용하여, 상온에서 자기장으로 전기 편극 변화 유도뿐 아니라 전기장으로 자화율을 크게 변화시킨 결과를 보고하였다. 이 단결정은 상온에서 약 5 mT의 자기장 부근에서 급격한 전기 편극 크기 변화가 일어나며, 3200 ps/m에 이르는 큰 자기전기 감수율을 보인다. 따라서 약 1.14 MV/m의 전기장으로 최대 0.62 μB/f.u. 자화율 변화를 유도할 수 있다. 뿐만 아니라 이 물질에선 자기전기 도메인을 조정하여 총 네 개의 자기전기 상태를 구현 할 수 있는데, 자기전기 상태에 따라 각각 다른 전기장 유도 자화율 변화 양상을 보이게 된다. 본 연구진은 자유 에너지 분석을 통해 이러한 현상은 각각의 자기전기 상태가 지닌 고유한 자기전기 계수에 의해 나타나는 것임을 밝혀내었다.

이 결과는 전력 소비를 최소화하며, 전기장으로 자기 스핀을 변화시킬 수 있는 스핀트로닉스 소자뿐 아니라 메모리 소자의 집적 한계를 극복하는 멀티-비트 메모리 소자로의 상온 응용성을 강하게 시사한다.