디시트렌드 : 국내 연구진, 상온서 스핀전류 발견…차세대 전자 소자 개발 '물꼬'

[ 아시아경제 ] 국내 연구진이 상온에서 발생하는 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 세계 최초로 발견했다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수, 서강대 정명화 교수 공동연구팀이 과기정통부 기초연구사업 등의 지원으로 거둔 이번 연구 성과가 국제학술지 네이처에 30일(한국 시간) 게재됐다고 밝혔다.

고전역학적 스핀 펌핑(a)과 양자역학적 스핀펌핑(b) 개략도. 스핀 펌핑이란 자성체(FM, 파란색)와 비자성체(NM, 회색)를 접합시켰을 때 발생하게 된다. (a)에서 표현한 고전역학적 스핀 펌핑은 자화(m(t), 분홍색 화살표)의 크기가 유지된 상태에서 세차운동으로 인해 비자성체로 스핀이 빠져나가는 반면에, (b)에서 표현한 양자역학적 스핀 펌핑은 자화(m(t), 분홍색 화살표)의 크기가 변하면서 비자성체로 스핀이 빠져나가는 것을 의미한다. 이경진 교수(KAIST), 김갑진 교수(KAIST), 정명화 교수(서강대) 그림설명 및 제공.

전자는 전기적 성질인 전하와 자기적 성질인 스핀(전자의 자발적인 양자 각운동량)을 동시에 가지고 있다. 대부분 전자 기기는 전하 전류로 작동하지만, 전류가 흐를 때 전자가 물질 내 원자와 충돌하면서 열이 발생해 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다.

이를 극복하기 위해 연구자들은 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 하고 있으며, 이를 '스핀트로닉스(spintronics)'라고 한다. 스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것으로, 연구진은 스핀이 세차운동에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 스핀 펌핑(spin pumping) 현상에 주목했다.

정명화 교수팀은 철(Fe)-로듐(Rh) 자성 박막을 제작, 김갑진 교수 연구팀과 함께 박막의 특성을 활용해 큰 스핀 전류를 관측했다. 이경진 교수 연구팀은 이를 양자역학적 이론으로 해석하고 추가 실험을 통해 증명했다.

대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되지만, 이번 연구는 세계 최초로 상온에서의 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 데 의미가 있으며, 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시한 것이어서 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

공동 연구팀은 "기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용한 반면, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다"고 밝혔다.