세계 최초 전자를 야구 변화구처럼 던졌다

한국 연구진, 경금속 내부에서 제어 성공
국제 학술지 '네이처' 논문 게재

국내 연구진이 세계 최초로 전자의 움직임을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 것을 성공했다.

궤도홀 효과. 전자(황금색 구)는 원자핵 (파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다. 그림출처=과기정통부 제공

과학기술정보통신부는 최경민 성균관대 교수 연구팀이 이현우 포항공대 교수 연구팀과 공동으로 경금속 내부에서 전자 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 것을 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다.

이번 연구 결과는 이날 국제학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.

야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 승률이 향상되는 것과 같이 고체 내부에서도 전자의 궤적을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능이 향상될 수 있다. 고체에서 흐르는 전자의 속도와 전자의 수를 제어하는 방법은 현재도 개발돼 있지만, 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 아직까지도 매우 제한적으로 존재한다.

전류가 흐르고 있는 고체에 자기장을 가하면 전자의 궤적이 휘어지는 ‘홀 효과(Hall effect)’는 널리 알려져 있으나, 자기장을 생성하려면 높은 전류가 필요할 뿐만 아니라 부분적으로 제어하기도 어렵다. 수많은 소자가 집적된 전자기기에 이 방법을 적용하려면 각 소자의 동작에 맞게 서로 다른 방향의 자기장을 가해야 하는데 집적도가 높은 전자기기에서 구현하는 것은 한계가 있다.

이러한 문제점 때문에 자기장을 사용하지 않으면서 나노미터(㎚)단위의 미세한 소자 내부에 존재하는 전자의 궤적을 낮은 전력을 사용해 개별적으로 제어하는 새로운 기술이 필요한 상황이다.

기존에도 스핀 각운동량(전자 스핀)을 이용하면 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것이 ‘스핀 홀 효과’라는 이름으로 보고되었으나, 이 효과는 원자번호가 큰 중금속에서만 발현한다는 한계가 있다.

연구팀은 타이타늄(원소기호 Ti) 금속에서 전자의 스핀이 아닌 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량(전자가 원자핵 주변을 공전함으로써 발생)을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 ‘궤도 홀 효과’를 세계 최초로 시현했다.

이 연구결과는 그동안 이론적으로만 알려져 있던 ‘궤도 홀 효과’를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 최초로 시현했다는 점에서 그 의미가 매우 크다.

현재 사용하는 대부분의 소자들은 전기장으로 인한 전자의 수 변화만 활용하지만, 미래 전자소자로 개발 중인 자성메모리(MRAM)는 전자의 각운동량을 이용하기 때문에 연구팀이 규명한 성질을 활용하면 에너지 효율 및 속도 향상에 기여할 것으로 기대한다.

최경민 교수는 “이번 연구성과는 전자소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공한다.”라고 의미를 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr