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표준연, 왼손 방향 스핀파 세계최초 증명

2020-06-30기사 편집 2020-06-30 17:45:50      조남형 기자 news8737@daejonilbo.com

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스핀을 이용한 초저전력, 초고속, 대용량 메모리 소자개발 박차

첨부사진1표준과학연구원 양자기술연구소 황찬용 책임연구원이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다. 사진=KRISS 제공

국내 연구진이 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계최초로 증명했다. 스핀을 이용한 초고속, 초용량 차세대 메모리 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 전망된다.

표준과학연구원(KRISS) 양자기술연구소 양자스핀팀은 KAIST 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수와 공동으로 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체에서 왼손 방향의 세차운동(물체의 회전축 자체가 도는 운동)을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다고 30일 밝혔다.

스핀은 전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 것을 뜻한다.

스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 저장할 수 있어야 한다.

주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지게 되면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.

하지만 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다. 1960년대 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 현재까지 미시적인 수준에서의 실험으로는 관찰되지 못했던 현상이다.

연구팀은 빛과 스핀 사이의 충돌로 발생하는 산란광을 측정하는 방법인 '브릴루앙 광산란법'을 이용, 이론을 실험으로 증명해 냈다.

준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파(스핀의 집단 파형)와 충돌시킨 뒤 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아냈다.

연구결과 수십 피코초(1피코초는 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관측됐다.

황찬용 책임연구원은 "지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다"라며 "스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈에 게재됐다. 조남형 기자





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첨부사진2강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(왼쪽)와 스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(오른쪽) 사진=KRISS 제공


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