(서울=뉴스1) 나연준 기자 = 국내 연구진이 세계 최초로 상온 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다. 이는 고효율 양자 스핀 소자의 가능성을 제시하며 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법이 될 것으로 평가된다.
과학기술정보통신부는 이경진·김갑진 한국과학기술원(KAIST) 교수와 정명화 서강대 교수 공동연구팀의 이런 연구 성과가 국제학술지 네이처에 29일(현지시간) 게재됐다고 30일 밝혔다.
전자는 전기적인 성질인 전하와 자기적인 성질인 스핀(전자의 자발적인 양자 각운동량)을 동시에 가지고 있다.
우리가 사용하는 대부분의 전자기기는 전하 전류로 작동한다. 하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌해 필연적으로 열이 발생하고 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다는 문제점이 있다.
이런 문제의 해결 방법으로 전 세계의 많은 연구자는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 진행했고 이를 '스핀트로닉스(spintronics)'라 한다. 스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것이고, 스핀 전류 생성 방법의 하나가 스핀 펌핑(spin pumping)이다.
스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때, 스핀이 세차운동(팽이를 회전시키면 회전축이 기울어지면서 빙빙 도는 운동)에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상을 말한다. 고전역학으로 생성되는 스핀 전류는 크기가 작아 실제 전자 소자에는 활용이 어려웠다.
정명화 교수팀은 고품질의 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 제작하고 김갑진 교수 연구팀과 함께 자성박막의 특성을 활용해 큰 스핀 전류를 관측했다. 이경진 교수 연구팀이 양자역학적 이론으로 해석하고 추가적인 실험으로 증명했다.
특히 대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되는데 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 의미가 있다. 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법으로 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
공동 연구팀은 "기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용해 온 반면, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다"고 말했다.
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