물리학 난제 109년 만에 입증…미시-거시세계 `각운동량` 전달 비밀 풀다

GIST, 인공구조물 통해 '카이랄 열포논' 생성 관측
카이랄 열포논이 자기 모멘트 형성에 중요한 역할

이종석(오른쪽) GIST 교수와 최인혁 박사과정생

1915년 알버트 아인슈타인과 반더르 요하네스 더 하스는 미시세계에서 거시세계로 각운동량이 보존되는 사실을 '아인슈타인-더 하스 효과'를 통해 실험적으로 확인했다. 하지만 어떤 원리로 미시세계에서 거시세계로 각운동량을 전달하는지에 대해선 초고속 측정기술의 한계로 195년 이후 100년이 넘게 밝혀지지 않았다.

국내 연구진이 인공구조물을 통해 미시세계 변화가 거시세계의 움직임에 영향을 주는 과정을 관측하는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 이종석 물리광과학과 교수 연구팀이 자성과 비자성 초격자 인공 구조물을 만들어 각운동량을 지니고 있는 카이랄 열포논 생성을 처음으로 관측했다고 24일 밝혔다.

각운동량 보존법칙은 에너지 보존법칙, 운동량 보존법칙과 함께 물리현상을 설명하는 가장 근본적인 세 가지 법칙 중 하나다. 우리가 일상에서 느끼는 고전역학 측면에서 기술되는 거시세계와 양자역학으로 기술되는 작은 규모의 미시세계에 모두 적용된다.

가령, 피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 몸을 움츠리는 동시에 팔을 안쪽으로 오므리면 회전 관성을 줄여 회전 속도를 조절하는 것과 헬리콥터에서 꼬리 날개를 활용해 균형을 잡는 것이 실생활에서 각운동량 보존 법칙의 대표적 사례다.

하지만, 100년이 넘게 미시세계에서 거시세계로 각운동량이 왜 보존되는지는 측정기술의 한계로 정확히 알려지지 않았다. 이후 2022년 독일 콘스탄츠 대학 연구팀이 고체에서 스핀이 고체가 이룬 격자의 집단적인 움직임인 '포논'에 각운동량을 전달한다는 사실을 실험으로 밝혀냈다. 이 때 각운동량을 전달받은 포논을 '카이랄 포논'이 미시세계와 거시세계를 이어주는 각운동량의 전달 매개체로 봤다.

하지만, 카이랄 포논이 생성되는 시간은 수 피코초(ps, 1조분의 1초), 아인슈타인-더 하스 효과가 발생하는 시간은 수 밀리초(1000분의 1초) 사이에 방대한 시간적 차이가 존재하고, 그 사이에 어떤 일이 일어나는지는 지금까지 수수께끼로 남아 있었다.

연구팀은 자성 산화물인 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)과 비자성 산화물인 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3)을 결합해 초격자 형태의 인공 복합 구조물을 만들었다. 루테륨산 스트론튬에 높은 에너지를 가진 빛을 쏘자 물질의 자성이 바뀌고 열에너지를 가진 카이랄 열포논이 생성됐다. 연구팀은 펨토초 레이저를 이용해 루테륨산 스트론튬과 타이타늄산 스트론튬 초격자 내에서 카이랄 열포논이 생성되는 과정을 실시간 관측하는 데 성공했다. 각운동량 변화가 카이랄 포논이 생성된 후 물질의 회전이 발생하기 전까지 카이랄 열포논이 중요한 역할을 하는 것을 실험적으로 알아낸 것이다.

이종석 GIST 교수는 "포논(격자의 집단적 움직임)이 자기 수송에 직접적으로 기여할 수 있음을 입증한 결과"라며 "앞으로 자기와 열 기능성이 결합된 다기능성 나노소자 개발에 중요한 디딤돌을 제시한 연구로 평가될 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지(지난 12일)' 온라인에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr