국내 연구진, ‘양자 스핀 파동’ 4차원 시각화 세계 첫 성공

장호영 포항가속기연구소 박사(왼쪽)와 천세환 박사. 포항가속기연구소 제공.

국내 연구팀이 세계 최초로 양자 스핀 파동을 4차원 시공간에 시각화하는 데 성공했다.

포스텍은 천세환 포항가속기연구소(PAL) 박사팀이 연구소의 4세대 선형 방사광 가속기(엑스선 자유 전자 레이저)를 이용해 양자 스핀 파동의 4차원 시각화에 성공했다고 28일 밝혔다.  

빅데이터와 인공지능(AI)의 발전으로 하드디스크와 같은 대용량 저장 장치가 더욱 중요해졌다. 자성체 기반 저장 장치의 용량과 처리 속도를 높이려면 자성 소재의 특성을 빠르게 제어하는 기술이 필요하다. 대표적인 게 빛을 이용한 ‘옵토-스핀트로닉스’ 기술이다.  

엑스선 자유 전자 레이저는 수십 펨토초(1000조 분의 1초)의 펄스 시간폭 덕분에 초고속으로 일어나는 자성 소재 특성 변화를 관측할 수 있다. 이를 이용하면 옵토-스핀트로닉스 기술을 구현하기 위한 새로운 자기 상태를 발견할 수 있다. 

빛을 흡수한 자기는 비평형 상태가 되는데, 이를 이해하려면 4차원 시공간에서 양자 스핀 파동을 시각화하는 과정이 필요하다. 연구팀은 공명 엑스선으로 양자 스핀 신호를 증폭해 4차원 시공간에서 양자 스핀 파동을 시각화했다. 이 방법은 기존 측정법과 달리 자화량이 작은 자성체와 자화량이 존재하지 않는 반강자성체에도 적용할 수 있다. 

연구팀은 공명 자기 엑스선 회절 실험 기법과 광학 레이저 펌프-엑스선 프로브 측정으로 양자 스핀 파동 형태를 3차원 공간에 재구성하고 1차원에 대한 변화를 추적해 최종적으로 반강자성 양자 스핀 파동을 4차원 시공간 내에 시각화했다. 

국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 온라인판에 24일 게재된 이번 연구는 빛과 자성체 간 상호작용으로 나타나는 비평형 자기 상태 연구의 새로운 장을 열었다는 평가를 받고 있다. 연구팀이 빛으로 유도한 양자 스핀 파동은 강유전 분극을 제어할 수 있는 가능성을 보여 빛으로 초고속 제어가 가능한 차세대 양자 소재로 기대된다.  

[문세영 기자 moon09@donga.com]