더 정확한 전자 움직임 계산법…"고체물리 교과서 바꿀 수준"

왼쪽부터 김경환 연세대 물리학과 교수, 박노정 UNIST 물리학과 교수, 김범석 펜실베니아대 박사후연구원. UNIST 제공.

국내 연구진이 전자의 움직임을 한층 더 정확하게 설명할 수 있는 새로운 계산법을 개발했다. 이번 성과는 앞으로 차세대 메모리 반도체 등 첨단소자 설계 핵심 이론으로 활용될 전망이다.

박노정 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수와 김경환 연세대 물리학과 교수 연구팀은 '스핀-격차 상호작용(spin-lattice interaction)' 개념을 도입해 양자역학과 상대성 이론이 충돌하던 계산의 비일관성을 해소하는 방법을 발견했다고 8일 밝혔다. 

전자는 아주 작고 매우 빠르게 움직이는 입자다. 전자의 움직임을 정확하게 설명하려면 양자역학과 상대성 이론 두 가지 물리학 이론이 필요하다.

문제는 두 이론이 출발점이 달라 실제 반도체나 고체 안에서 전자의 '스핀'과 '궤도각운동량'이 서로 얽혀 있을 때 계산이 복잡해지고 일관성이 떨어진다는 점이다. 스핀과 궤도각운동량은 전자의 회전 방식이다. 스핀이 지구의 자전이라면, 궤도각운동량은 공전과 유사한 개념이다. 기존 방식으로는 전자의 움직임을 하나의 틀 안에서 계산하기가 어려웠다는 의미다. 

연구팀이 개발한 새 계산법은 궤도각운동량을 쓰지 않고 전자의 움직임을 더 정확하게 설명했다. 전자의 스핀과 궤도각운동량이 서로 영향을 주고받는 '스핀-궤도 결합' 현상을 설명하려면 기존에는 두 가지 회전을 모두 복잡하게 다뤄야했다.

특히 고체를 이루는 원자 배열(격자) 안에서는 궤도각운동량을 정확히 정의하기조차 어려웠다. 이번 연구에서는 스핀과 격자의 상호작용만으로도 전자의 움직임과 물질의 성질(자성, 전도성 등)을 정확하게 측정해냈다. 

이 계산법을 실제 적용하자 스핀 분포, 스핀 전류, 자기 반응 등 여러 물리량을 더 정확하고 효율적으로 예측하게 됐다. 이번 연구를 두고 "고체물리학 교과서의 기본 개념이 바뀔 수 있을 정도"라는 평가도 나왔다. 이번 연구는 김범섭 미국 펜실베이니아대 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 
 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]