한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 심흥선 물리학과 교수팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 금속·반도체 내 불순물 자성을 양자역학적으로 가려내는 '스핀 구름' 존재를 규명하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. 50년 동안 입증되지 않아 논란이 됐던 스핀 구름 존재를 밝혀냈다.
도체나 반도체 내 불순물이 스핀을 가질 때, 이 스핀은 주위 자유 전자들이 생성한 스핀 구름에 가려진다고 알려져 있다. 콘도효과라고 불리는 이 현상은 대표적인 자성 현상이다.
콘도효과의 여러 특성은 대부분 규명됐으나, 스핀 구름의 존재는 입증되지 않은 채 남아있었다. 스핀 구름이 실제로 존재하는 것인가에 대한 논쟁도 있었다.
심 교수 연구팀은 일본 이화학연구소(RIKEN), 홍콩 성시대 연구진과 공동 연구로 콘도 스핀 구름을 최초로 발견했다. 발견한 스핀 구름 크기는 마이크로미터(㎛) 수준이다.
연구팀은 스핀 구름을 전기 신호를 이용해 관측하는 방법을 2013년 선행연구로 제안한 바 있다. 이 선행연구로 전기장을 스핀 구름 내부와 외부에 가할 경우에 각각 다른 전류가 발생함을 예측했다. 이번 연구에서는 이를 이용해 스핀 구름 공간 분포 관측을 제안했다. RIKEN과 홍콩 성시대 연구팀은 이 제안에 따라 양자점을 이용해 반도체에 불순물 스핀을 인위적으로 생성하고, 생성 불순물 주변 여러 곳에 전기장을 인가할 수 있는 양자 소자를 제작했다.
심흥선 교수는 “스핀 구름 존재 입증은 학계 숙원으로, 이번 연구 이후 관련 후속 연구들이 활성화될 것”이라며 “스핀 구름을 전기적으로 제어해 미해결 자성 문제를 이해하는 데에 활용할 수 있을 뿐 아니라, 스핀 구름의 양자 얽힘 특성을 기반으로 차세대 양자정보 소자를 개발할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
