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‘왼손 방향 스핀파’ 60년만에 국내 연구진이 첫 증명

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  • 류준영 기자
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  • 2020.06.30 12:31
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스핀을 이용한 초저전력·초고속·대용량 메모리 소자개발 실마리 제공

표준연 양자기술연구소 양자스핀팀이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다. 황찬용 책임연구원(우), 김창수 선임연구원(좌)/사진=표준연
표준연 양자기술연구소 양자스핀팀이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다. 황찬용 책임연구원(우), 김창수 선임연구원(좌)/사진=표준연
국내 연구진이 그동안 이론으로만 존재했던 ‘왼손 방향으로 회전하는 스핀(Spin)파’를 처음으로 증명했다.

한국표준과학연구원 양자기술연구소 김창수 선임연구원, 황찬용 책임연구원과 카이스트(KAIST) 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수로 이뤄진 공동연구팀은 1960년대 이론으로만 소개됐던 ‘왼손 방향으로 세차운동(회전체가 도는 운동)을 하는 스핀파’를 측정하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 이번 연구성과는 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면한 반도체 기반 전자소자 개발에 새로운 실마리를 제공할 것으로 보인다.

스핀은 전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성으로 전하이동과는 다르게 제자리에서 회전하는 것이다. 스핀과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 초저전력·초고속·대용량 등 차세대 메모리 등 전자소자를 개발하는 분야다.

스핀트로닉스 분야에선 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어해 정보를 저장하기 위한 연구를 활발히 하고 있다. 하지만 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등에 대한 원리 규명 연구가 먼저 이뤄져야 한다.

주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 나노미터(1㎚는 10억분의 1m) 단위로 잘게 쪼개면 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석으로 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.

하지만 1960년대 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 혼합된 강자성체(강한 자성을 띠는 물질)의 일종인 준강자성체 물질에서 스핀이 전체적으로 시계 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다는 이론이 제시된 바 있다.
자성체의 왼쪽 세차운동 모식도/자료=표준연
자성체의 왼쪽 세차운동 모식도/자료=표준연

연구팀은 빛과 스핀 사이의 충돌로 발생하는 산란광을 측정하는 방법인 ‘브릴루앙 광산란법’을 이용해 이론을 실험으로 증명했다.

CoGd 준 강자성체에 빛을 쬐어 스핀파와 충돌시킨 후 되돌아온 빛을 분석, 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다. 분석 결과 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동이 처음 관찰됐다.
강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(좌),스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우)/자료=표준연
강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(좌),스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우)/자료=표준연

황 책임연구원은 “스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.



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