韓 연구진, 상온 양자역학적 ‘스핀 펌핑’ 최초 발견

KAIST·서강대 연구팀 공동연구, 네이처에 논문 게재
스핀 전류 10배↑, 차세대 소자 개발에 기여할 전망

[보안뉴스 박은주 기자] 국내 연구진이 상온에서 발생하는 양자역학적 ‘스핀 펌핑’ 현상을 세계 최초로 증명해냈다.

▲고전역학적 스핀 펌핑(왼쪽)과 양자역학적 스핀펌핑 개략도[자료=과기정통부]

과학기술정보통신부(장관 유상임)는 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수와 서강대학교 정명화 교수 공동연구팀의 ‘스핀 펌핑’(Spin Pumping) 연구 효과가 국제학술지 네이처(Nature)에 30일(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.

전자는 전기적 성질인 전하와 자기적 성질인 스핀(전자의 자발적인 양자 각운동량)을 동시에 가진다. 대부분 전자기기는 전하 전류로 작동한다. 하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내 원자와 충돌하면서 열이 발생해 에너지 소모량이 증가하고 효율 저하로 이어진다.

이 한계를 극복하기 위해 연구자들은 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 진행했으며, 이를 ‘스핀트로닉스(Spintronics)’라고 한다.

스핀트로닉스 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것이다. 연구진은 스핀이 세차운동에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 스핀펌핑 현상에 주목했다.

▲철과 로듐의 합금인 FeRh에서 발생하는 양자적 스핀 펌핑[자료=과기정통부]

정 교수팀은 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 만들고, 김 교수 연구팀과 함께 박막 특성을 활용해 큰 스핀과 전류를 관측했다. 이 교수 연구팀은 이를 양자역학적 이론으로 해석하고 추가 실험을 통해 증명했다.

대부분 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되지만, 이번 연구는 세계 최초로 상온에서 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 데 의의가 있다.

또 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시한 만큼, 차세대 소자 개발에 기여할 전망이다.

연구진은 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용했지만, 이번 연구는 스핀의 양자적 특성을 활용해 응용 면에서 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다”고 말했다.
[박은주 기자(boan5@boannews.com)]

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