국내 연구진이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 증명했다.

과학기술정보통신부는 30일(한국 시간) 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수, 서강대 정명화 교수 공동 연구팀의 연구 결과가 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다고 밝혔다.

스핀 펌핑은 전자의 자기적 성질인 스핀이 세차운동하며 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상이다. 연구팀은 철(Fe)-로듐(Rh) 자성 박막을 활용해 큰 스핀 전류를 관측하고, 이를 양자역학적으로 해석했다.

이번 연구는 극저온에서만 관측되던 양자역학적 현상을 상온에서도 실험적으로 증명한 점에서 의미가 크며, 기존 방식 대비 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시해 차세대 전자 소자 개발에 기여할 전망이다.

[미니해설] KAIST·서강대 연구팀, 세계 최초로 상온에서 스핀 펌핑 현상 증명

국내 연구진이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 증명했다. 스핀트로닉스(spintronics) 연구에 새로운 가능성을 제시한 이번 성과는 차세대 저전력·고효율 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 30일(한국 시간) 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수, 서강대 정명화 교수 공동 연구팀의 연구 결과가 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다고 밝혔다.

전자는 전기적 성질인 전하(charge)와 자기적 성질인 스핀(spin)을 동시에 가지고 있다. 대부분의 전자 기기는 전하 전류를 기반으로 작동하지만, 전류가 흐를 때 전자가 원자와 충돌하면서 열이 발생해 에너지 소모가 증가하고 효율이 저하되는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 전하 대신 스핀 전류를 활용하는 스핀트로닉스 기술을 연구하고 있다. 스핀트로닉스는 전자의 스핀을 제어해 정보 저장·처리 효율을 높이는 기술로, 반도체 소자 및 메모리 분야에서 혁신을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다.

스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것이다. 연구진은 스핀이 세차운동(gyroscopic precession)을 하면서 자성체에서 비자성체로 이동하는 '스핀 펌핑(spin pumping)' 현상에 주목했다.

이번 연구에서 정명화 교수팀은 철(Fe)-로듐(Rh) 자성 박막을 제작하고, 김갑진 교수 연구팀과 함께 이를 활용해 기존 방식보다 10배 높은 스핀 전류를 관측했다. 이경진 교수 연구팀은 이를 양자역학적 이론으로 해석하고 추가 실험을 통해 증명했다.

대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측할 수 있다. 그러나 이번 연구를 통해 세계 최초로 상온에서도 스핀 펌핑 현상이 발생한다는 사실이 실험적으로 증명됐다. 이는 기존 고전역학적 스핀 펌핑 모델을 넘어, 스핀의 양자적인 특성을 활용한 응용 가능성을 열었다는 점에서 의미가 크다.

또한, 연구진은 기존 방식보다 10배 이상 높은 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시했다. 이는 차세대 전자 소자 개발 및 저전력·고효율 반도체 연구에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

연구진은 "기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 기반으로 진행됐지만, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용해 더욱 효과적인 응용이 가능하다는 점을 증명했다"고 밝혔다.

이번 연구 성과는 차세대 정보통신 및 반도체 기술 발전에 중요한 기초 연구로 평가되며, 향후 관련 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다.