표준연 연구진, 60년만에 왼손 방향 스핀파 증명

[이데일리 강민구 기자] 한국표준과학연구원은 양자기술연구소 양자스핀팀이 지난 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 증명했다고 30일 밝혔다.

표준연 양자기술연구소 양자스핀팀은 한국과학기술원(KAIST)의 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수와 함께 전이금속 코발트와 희토류 가돌리늄을 일정 비율로 혼합한 준강자성체에서 왼손 방향의 세차운동을 하는 스핀파를 측정하고, 이에 기반한 물리 현상들을 규명했다.

한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자스핀팀이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다.<사진=한국표준과학연구원>

세차운동은 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이다. 스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술이며, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 것으로 기대를 모은다.

스핀들의 집단적 움직임을 나타내는 스핀파는 작동 주파수가 높은 영역에 분포하고 전력 소비가 적어 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.

스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어해 정보를 저장해야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석을 위한 연구 난이도가 높았다.

주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지면 오른손 방향으로 세차운동을 한다.

그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전한다.

지난 1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 그동안 미시적 수준의 실험으로는 관찰하지 못했다.

연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후, 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아냈다.

연구팀은 수십 피코초 영역에서 왼손 방향 운동을 처음 관찰하고, 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상도 알아냈다.

황찬용 표준연 책임연구원은 “지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다”며 “스핀파의 왼손 방향 운동을 처음 규명해 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 재료과학분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 30일자로 게재됐다.