표준연 양자기술연구소 양자스핀팀이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다. 황찬용 책임연구원(우), 김창수 선임연구원(좌)/사진=표준연
한국표준과학연구원 양자기술연구소 김창수 선임연구원, 황찬용 책임연구원과 카이스트(KAIST) 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수로 이뤄진 공동연구팀은 1960년대 이론으로만 소개됐던 ‘왼손 방향으로 세차운동(회전체가 도는 운동)을 하는 스핀파’를 측정하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 이번 연구성과는 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면한 반도체 기반 전자소자 개발에 새로운 실마리를 제공할 것으로 보인다.
스핀은 전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성으로 전하이동과는 다르게 제자리에서 회전하는 것이다. 스핀과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 초저전력·초고속·대용량 등 차세대 메모리 등 전자소자를 개발하는 분야다.
주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 나노미터(1㎚는 10억분의 1m) 단위로 잘게 쪼개면 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석으로 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.
자성체의 왼쪽 세차운동 모식도/자료=표준연
CoGd 준 강자성체에 빛을 쬐어 스핀파와 충돌시킨 후 되돌아온 빛을 분석, 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다. 분석 결과 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동이 처음 관찰됐다.
강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(좌),스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우)/자료=표준연
이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.