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우리 연구진이 세계 최초로 상온 양자역학 현상을 발견했다. 전자소자 응용을 넘어 차세대 전자 소자 개발을 위한 양자기술 핵심 기반을 발견했다는 점에서 주목된다.
과학기술정보통신부는 이경진·김갑진 한국과학기술원(KAIST) 교수와 정명화 서강대 교수 연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 30일 밝혔다.
전자는 전기적인 성질인 전하와 자기적인 성질인 스핀(Spin)을 동시에 가지고 있다. 물질 내 전자가 이동하는 현상인 전류는 전하가 이동해 발생하는 전하 전류와 스핀 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나누어진다.
대부분 전자기기는 전하 전류로 작동하는데 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생한다. 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어져 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구가 활발하다. 이를 '스핀트로닉스(spintronics)'라고 한다.
스핀트로닉스 기술 구현 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것으로, 대표적으로 스핀 펌핑(spin pumping)이 있다. 스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때 스핀이 세차운동(팽이 회전 시 회전축이 기울어지며 도는 운동)에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상이다. 다만 스핀 펌핑은 고전역학적인 세차운동을 기반으로 해 생성되는 스핀 전류 크기가 작아 실제 전자 소자에는 활용이 제한된다.
연구팀은 기존 고전역학적 스핀 펌핑 메커니즘을 넘어 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 예측하고 이를 세계 최초로 실험적 입증에 성공했다.
연구팀은 우선 양자역학적인 스핀 펌핑의 경우 자화 방향이 고정된 상태에서 자화 크기가 변할 때 발생하며, 이 경우 생성되는 스핀 전류가 기존 세차운동 대비 매우 클 것으로 예측했다.
이를 입증하기 위해 철(Fe)과 로듐(Rh) 합금인 고품질 FeRh를 합성하고, FeRh 상전이 순간 스핀 전류를 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 개발해 상전이에 의한 스핀 펌핑을 관측했다.
연구팀은 이를 이론적으로 분석해 해당 실험 결과가 양자역학적인 스핀 펌핑 현상임을 확인했다.
대부분 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되는 것과 달리 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있다. 또 기존 고전역학적 방식 대비 10배 이상 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시함으로써 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것으로 평가된다.
연구팀은 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용했지만, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다”고 말했다.
한편 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처(Nature)에 30일(현지시간 29일) 게재됐다.
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이인희 기자 leeih@etnews.com