전자기기를 이용할 때 열이 발생한다. 전류가 흐를 때 전자(electron)가 물질 내부의 원자들과 충돌하기 때문이다. 이때 발생하는 열을 줄열(Joule heat)이라고 부른다. 에너지 소모량 증가와 소자 효율 감소의 원인이다.
이런 한계를 극복하기 위해 전자의 전하(charge) 대신 스핀(spin)을 활용하려는 시도가 이어지고 있다. 스핀트로닉스(spintronics) 기술이라고 한다. 스핀트로닉스는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 활용함으로써 소자에서 열 발생을 줄일 수 있어 차세대 전자소자로 주목받고 있다.
과학기술정보통신부(장관 유상임)는 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수와 서강대 정명화 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 30일 발표했다.
상온에서는 반강자성체(antiferromagnet)로서 철(Fe) 원자들(mFe)의 자화가 이웃한 자화와 반대로 정렬된다. 온도를 올리면, 로듐(Rh) 원자들이 유한한 자화를 갖게 되면서 Fe와 Rh의 자화가 모두 같은 방향으로 정렬돼 강자성체(ferromagnet)가 된다. 이러한 자기 상전이가 발생하는 순간 FeRh에서 스핀 전류가 생성된다. 이 스핀은 이웃한 비자성체(여기서는 백금, Pt)로 펌핑된다. [사진=KAIST]
전자는 전기적 성질인 전하와 자기적 성질인 스핀(spin)을 동시에 가지고 있다. 물질 내에서 전자가 이동하는 현상인 전류는 전하가 이동해 발생하는 전하 전류와 스핀의 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나눈다.
우리가 사용하는 대부분의 전자기기는 전하 전류로 작동한다. 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생한다. 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다는 문제점이 있다.
이를 극복하기 위해 전 세계의 많은 연구자는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 진행하고 있다.
스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것에 있다. 스핀 전류 생성의 여러 방법 중 하나는 스핀 펌핑(spin pumping)이다.
스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때 스핀이 세차운동(회전축이 기울어지면서 빙빙 도는 운동)에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상을 말한다. 고전역학으로 생성되는 스핀 전류는 크기가 작아 실제 전자 소자에 적용하는데 한계가 있었다.
정명화 교수팀은 2019년 자성박막에서의 스핀 상호작용에 관한 연구 결과를 발표한 바 있다. 재료 분야 국제 학술지(Nature Materials)에 실렸다. 이후 관련 분야에서 연구를 지속해 수행했으며 자성박막 제작에 관한 연구 노하우를 점차 쌓아왔다.
이러한 연구 노하우를 바탕으로 정명화 교수 연구팀은 고품질의 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 제작하는 데 성공했다. 김갑진 교수 연구팀과 함께 자성박막의 독특한 특성을 활용해 큰 스핀 전류를 관측했다.
이를 이경진 교수 연구팀이 양자역학적 이론으로 해석하고 추가 실험으로 증명했다.
대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되는 것과 달리 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있다.
기존 고전역학적 방식과 비교했을 때 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시한 것이어서 차세대 전자 소자 개발에 이바지할 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 기초연구를 수행하는 연구팀들이 공동연구를 통해 스핀의 정적 상태에 대한 연구를 넘어 자기적 상태가 변화하는 동적인 스핀 상태에 대한 연구로 확장하여 세계 최고의 성과를 창출하게 된 데도 큰 의미가 있다.
공동 연구팀은 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적 스핀 운동을 이용해 온 반면 이번 연구는 스핀의 양자적 특성을 활용해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다”고 설명했다.
연구 성과(논문명 : Signatures of longitudinal spin pumping in a magnetic phase transition)는 국제학술지 네이처(Nature)에 1월 30일자로 실렸다.
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