KAIST, 마그논 오비탈 홀 효과 첫 발견…반도체 발열 해결 실마리

김세권 KAIST(카이스트) 물리학과 교수. 카이스트 제공

KAIST(카이스트) 물리학과 김세권 교수 연구팀과 포항공과대학교 물리학과 이현우 교수팀이 공동연구로 반강자성체에서 마그논 오비탈 홀 효과를 세계 최초로 발견, 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.

17일 카이스트에 따르면 반강자성체란 인접한 원자의 전자스핀이 서로 반대로 정렬해 순 자성이 없는 물질을 말한다. 마그논(양자화된 스핀 파동) 오비탈 홀 효과는 축구의 바나나킥처럼, 마그논이 회전 방향(오비탈)에 따라 진행궤적이 휘어지는 현상을 의미한다.

마그논계에서의 오비탈 홀 효과는 기존에 예측된 바가 없는 새로운 현상으로, 기존 스핀 자유도에 국한됐던 마그논 동역학을 오비탈 자유도를 통해 한 단계 확장하는 의의가 있다는 게 카이스트의 설명이다.

김세권 교수 연구팀은 MnPS3(삼황화린망간)와 같이 벌집 격자를 이루는 2차원 반강자성체에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 세계 최초로 발견했다.

기존에 알려진 마그논 홀 효과는 스핀궤도결합에 기인해 그 크기가 작지만, 이번 연구를 통해 발견된 마그논 오비탈 홀 효과는 스핀궤도결합과 무관하게 결정구조에 기인해 크기가 크다.

또 전기적으로 마그논 오비탈 홀 효과를 측정할 수 있는 실험방법도 제시했다.

김 교수는 "마그논 오비탈과 그 수송이론 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적 문제"라며 "기존 정보처리 기술의 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 것"이라고 강조했다.