국내 연구진이 반도체를 포함한 차세대 전자공학의 핵심 원리를 품은 양자역학 현상을 세계 최초로 상온에서 발견하는 데 성공했다. 통상 극저온 환경에서만 나타나는 양자역학 현상이 상온에서도 발생한다는 사실을 밝혀냄으로써 향후 전자공학 이론과 반도체 기술 혁신을 앞당길 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부는 이경진 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학과 교수와 김갑진 물리학과 교수, 정명화 서강대 물리학과 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 ‘스핀 펌핑’ 현상을 발견했다고 30일 밝혔다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’에 이날 게재됐다.
스핀 펌핑은 차세대 반도체 기술로 평가받는 ‘스핀트로닉스’의 핵심 기술이다. 반도체 집적회로(IC·칩) 같은 전자회로를 구동하는 전류는 전자가 직접 움직여서 발생하는 ‘전하 전류’와 전자의 자성(磁性)과 관련된 양자역학적 성질인 스핀으로 인해 발생하는 ‘스핀 전류’ 등 두 종류로 나뉜다. 스핀 전류를 통해 전자회로를 구동하는 전자공학이 스핀트로닉스다.
현재 대부분 전자회로는 전하 전류 제어를 통해 구현되지만 전자가 물질 내부에서 이동하는 과정에서 원자와 충돌해 전력 효율 저하와 발열 문제가 따른다. 대안으로 스핀트로닉스가 전 세계 학계에서 연구되고 있지만 스핀 전류는 극저온의 양자역학 현상인 스핀 펌핑을 통해서 만들 수 있고 그 세기마저 약해 전자회로를 구동하는 데 한계가 있다.
연구팀은 스핀 펌핑이 극저온이 아닌 상온에서도 발생 가능하다는 사실을 확인했다. 또 철-로듐 자성 박막이라는 신소재를 만들어 이 같은 스핀 펌핑 현상을 극대화함으로써 기존보다 10배 이상 센 스핀 전류를 만드는 방법을 찾았다. 지구의 자전축이 팽이처럼 빙빙 도는 것과 같은 세차운동이 전자에게도 일어나는데 이 과정에서 전자의 스핀이 자성체에서 비자성체로 이동하는 과정에서 스핀 펌핑이 발생한다. 연구팀은 “스핀트로닉스가 양자 기술로서 중요한 역할을 할 수 있다는 의미”라며 “고전역학을 넘어 양자역학적 해석으로 스핀트로닉스 연구 전반에 새로운 패러다임을 제시했다”고 설명했다.
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