국내 연구진이 그동안 이론으로만 존재했던 시계(왼손) 방향 회전 스핀(Spin)파를 처음으로 증명해 냈다.

한국표준과학연구원 김창수 선임연구원·황찬용 책임연구원과 한국과학기술원(KAIST) 이수길 박사·김갑진 교수·김세권 교수 공동 연구팀은 시계 방향으로 세차운동(회전체가 도는 운동)을 하는 스핀파를 측정하는 데 성공했다.

스핀은 전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성을 뜻한다.

▲ 준 강자성체 내부에서 반시계(오른손)와 시계 방향 스핀 측정 모식도

스핀과 일렉트로닉스(Electronics)를 합친 스핀트로닉스는 스핀을 이용해 차세대 메모리 등 전자소자를 개발하는 분야다.

스핀트로닉스 분야에서 전자의 스핀 방향을 제어해 정보를 효율적으로 저장하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있지만, 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법 등에 대한 원리 규명이 우선돼야 한다.

▲ 자성체의 시계(왼손) 방향 세차운동(왼쪽)과 반시계 방향 세차운동 모식도

우리가 흔히 볼 수 있는 자석을 나노미터(1㎚는 10억분의 1ｍ) 단위로 아주 잘게 쪼개면 스핀 하나에 해당하는 작은 자석으로 나눌 수 있는데, 이 작은 자석은 자기장이 주어지면 반시계(오른손) 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.

하지만 1960년대 코발트와 가돌리늄이 혼합된 강자성체(강한 자성을 띠는 물질)의 일종인 준 강자성체 물질에서 스핀이 전체적으로 시계 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다는 이론이 제시된 바 있다.

▲ 브릴루앙 광산란 실험하는 표준연 연구팀

연구팀은 빛과 스핀 사이의 충돌로 발생하는 산란광을 측정하는 방법인 '브릴루앙 광산란법'을 이용, 이론을 실험으로 증명해 냈다.

준 강자성체에 빛을 쬐어 스핀파(스핀의 집단 파형)와 충돌시킨 뒤 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아냈다.

분석 결과 수십 피코초(1피코초는 1조분의 1초) 영역에서 시계 방향 운동이 처음으로 관측됐다.

황찬용 책임연구원은 "스핀파의 시계 방향 운동을 처음으로 밝힘으로써 차세대 스핀트로닉스 소자 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 머티리얼즈'(Nature Materials)에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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