국내 연구진, 고효율 양자 스핀 소자 가능성 제시... 스핀 펌핑 현상 첫 발견

국내 연구진이 혁신적인 전류 생성 기법으로 주목받는 양자역학적 '스핀 펌핑 현상'을 세계 최초로 발견했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 혁신적인 전류 생성 기법으로 주목받는 양자역학적 '스핀 펌핑 현상'을 세계 최초로 발견했다. 차세대 전류 생성 방법인 스핀 펌핑 현상은 스핀의 이동으로 발생하는 ‘스핀 전류’를 만든다. 연구결과는 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
 

과학기술정보통신부(과기정통부)는 정명화 서강대 교수와 이경진·김갑진 KAIST 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 30일 밝혔다. 과기정통부 기초연구사업 등의 지원으로 수행된 연구는 29일(현지시간) 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 

전류는 전하가 이동해 발생하는 ‘전하 전류’와 스핀의 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나뉜다. 우리가 사용하는 전자기기 대부분은 전하 전류로 작동한다. 전하 전류는 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생하는 치명적인 문제를 갖고 있다. 열로 인해 에너지 소모량이 증가하고 전류 발생의 효율이 낮아진다.

이 같은 문제를 극복하기 위해 전 세계의 많은 과학자는 스핀 전류에 주목하고 있다. 스핀은 입자가 가진 고유한 성질로서 회전하는 물체가 가지는 운동량을 말한다. 입자가 실제로 회전하지는 않지만 회전하는 물체처럼 크기와 방향을 가진 양을 갖는 것이다. 스핀을 이동시킬 때 전류가 발생한다. 

스핀 펌핑은 스핀 전류를 만드는 여러 방법 중 하나다. 스핀 펌핑은 구체적으로 자성체와 비자성체를 접합했을 때 스핀이 세차운동에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상이다. 세차운동이란 물체가 회전할 때 축이 흔들리는 운동이다. 기존에는 고전역학적으로 스핀 펌핑을 연구했다. 스핀 펌핑은 자석 내부 자화의 세차운동에 의해 발생하며 자화의 크기가 고정된 상태에서 방향만 변화하는 방식으로 스핀 전류를 생성한다는 것이다. 이 같은 고전역학적 스핀 펌핑은 크기가 작은 전류만 생성할 수 있어 실제 전자 소자에는 활용되지 못했다. 

정 교수 연구팀은 양자역학적으로 스핀 펌핑 현상을 구현할 수 있다고 예측했다. 양자역학적인 스핀 펌핑은 자화 방향이 고정된 상태에서 자화의 크기가 변할 때 발생한다. 이 경우 생성되는 스핀 전류가 기존 고전역학적인 세차운동에 비해 매우 클 것으로 예상됐다. 

정 교수 연구팀은 철(Fe)과 로듐(Rh)의 합금(FeRh)을 활용해 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 구현했다. FeRh는 상온에서 약 100도로 높아질 때 물질의 상태가 바뀌는 상전이 과정에서 양자역학적인 스핀 펌핑이 발생하는 것을 관찰했다. 

김 교수 연구팀은 FeRh의 상전이 순간의 스핀 전류를 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 개발해 상전이에 의한 스핀 펌핑을 관측했다. 이 교수 연구팀은 이를 이론적으로 분석해 실험 결과가 양자역학적인 스핀 펌핑 현상임을 확인했다. 

FeRh를 활용했더니 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성할 수도 있었다. 고효율 양자 스핀 소자의 가능성을 제시한 것이다. 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구인 ‘스핀트로닉스’에서 새로운 패러다임을 제시했다는 의미를 가진다. 

연구팀은 “기존 스핀트로닉스 연구가 자화 운동을 고전역학적인 관점에서 해석해왔던 것과 달리 스핀트로닉스에서 양자역학적인 접근이 필수적임을 증명했다”면서 “스핀트로닉스 기술이 양자 기술의 핵심적인 기반이 될 수 있음을 보여주는 중요한 의미를 가진다”고 평가했다. 

정 교수는 “양자컴퓨팅이 결국 스핀을 이용해 정보를 저장하고 계산하는 원리로 작동하기 때문에 이번 결과가 양자컴퓨팅에 응용될 가능성이 있다”라고 설명했다. 

이택현 KAIST 물리학과 연구원, 박민태 서강대 물리학과 연구원, 고혜원 KAIST 연구원 등이 연구에 참여했다. 

[이채린 기자 rini113@donga.com]