박노정 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀이 부도체 물질에 진동을 일으켜서 자성을 띠게 만드는 방법을 찾아냈다. 전자의 자기 성질을 전자공학에 이용하는 '스핀트로닉스' 구현에 기여할 것으로 예상된다.
박 교수팀은 자성을 띠지 않는 물질에 적외선을 쏘아 자기장을 일으키고 자성을 띤 물질로 만드는 방법을 찾아내 이를 최신 계산 방법으로 입증하는데 성공했다고 1일 밝혔다.
모든 물질에는 스핀이라는 '자석의 씨앗'이 있다. 스핀 방향을 나란히 정렬하면 자성을 띠게 된다. 기존에 자기장이나 빛으로 직접 스핀을 조절하려는 연구는 있었지만 이번 연구는 원자를 춤추게 하는 간접 방법으로 전자의 스핀 방향을 정렬할 수 있음을 증명한 것이다.
철을 자석으로 만들려면 강한 자석을 가까이 붙여 놓으면 된다. 자석의 자기장이 전자의 스핀 방향을 나란히 정렬시킨다. 물리학 관점에서 보면 자기장의 존재가 물질계의 '시간 대칭'을 깨뜨려서 전자의 스핀을 한 방향으로 정돈하는 것이다.
박 교수는 “야구공이 날아가는 비디오 장면을 거꾸로 돌려도 이상하게 느낄 사람은 없다. 야구공의 운동에 시간 대칭성이 있기 때문이다. 그러나 자기장이 있는 공간에서는 시간 대칭성이 없기 때문에 전자의 움직임을 촬영한 비디오를 거꾸로 돌리면 존재할 수 없는 궤적이 나온다”면서 “이러한 시간 대칭성이 깨진 상황 가운데 하나가 스핀이 한 방향으로 정돈되는 것, 즉 자석이 되는 것”이라고 설명했다.
박 교수팀은 적외선을 쏘아 이차원 반도체 물질인 몰리브덴황(MoS₂)을 자석으로 만들었다. 적외선의 영향으로 황 원자가 한 방향으로 회전운동을 하고, 그 결과 시간 대칭은 깨지고 전자의 스핀 방향은 정렬돼 몰리브덴황이 자성을 띠게 된 것이다.
이번 연구는 적외선처럼 에너지가 낮은 파장의 빛을 이용해 전자의 스핀을 조절할 수 있는 가능성을 보여 준 사례로 평가받고 있다. 전자의 스핀 방향을 조절해서 신호 전달 매개체로 이용하는 스핀트로닉스 연구에 기여할 것으로 기대된다.
박 교수는 “전자의 스핀을 신호 전달체로 이용하면 전자를 직접 이동시키는 것보다 연산 속도는 빠르고 저장 용량은 크며 에너지 소비는 적은 전자 소자를 만들 수 있다”면서 “이번 연구 성과는 스핀트로닉스 구현의 물리학 기반이 될 것”이라고 의미를 부여했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
