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"원자 진동 유발해 자석 만든다"···자기장 발생법 증명

박노정 UNIST 교수 "전자의 스핀 조절로 자성 형성 증명"
왼쪽 그림은 단층 몰리브덴황(MoS2 )이며, 황 원자(연두색)와 몰리브덴(보라색) 원자가 결합된 구조를 하고 있다. 적외선 편광을 쪼아서 황 원자에 격자 떨림(Phonon)을 조절하면, 가운데 그림처럼 전도띠 바닥에 있는 몰리브덴 전자에 일정한 방향으로 스핀(spin)이 생긴다. 이때 몰리브덴황이 자기적인 성질을 가지게 된다.<사진=UNIST 제공>왼쪽 그림은 단층 몰리브덴황(MoS2 )이며, 황 원자(연두색)와 몰리브덴(보라색) 원자가 결합된 구조를 하고 있다. 적외선 편광을 쪼아서 황 원자에 격자 떨림(Phonon)을 조절하면, 가운데 그림처럼 전도띠 바닥에 있는 몰리브덴 전자에 일정한 방향으로 스핀(spin)이 생긴다. 이때 몰리브덴황이 자기적인 성질을 가지게 된다.<사진=UNIST 제공>

국내 연구팀이 원자의 진동을 유발해 자석을 만드는 자기장 발생법을 증명했다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 박노정 자연과학부 교수 연구팀이 자기적 성질을 띠지 않는 물질로부터 자기장을 발생시키고 자석으로 만드는 방법을 증명했다고 1일 밝혔다.

이는 적외선으로 '포논(phonon)'을 생성해 전자의 움직임에 영향을 주는 방식이다. 포논은 고체 속을 흐르는 진동(소리)의 입자다. 포논이 생기면 원자가 춤추듯 진동한다.

철을 자석으로 만들려면 강한 자석을 가까이 붙이면 된다. 이때 생성된 자기장이 전자의 스핀 방향을 나란하게 정렬시키기 때문이다. 물리학적 관점에서는 자기장이 존재하면 물질계의 '시간 대칭'을 깨트려서 전자의 스핀을 한 방향으로 정돈하는 것이다.

연구팀은 이차원 반도체 물질인 몰리브덴황(MoS₂)을 자석으로 만드는 데 적외선을 적용했다. 적외선의 영향으로 '황 원자는 한 방향으로 회전운동'을 하게 되고 그 결과 시간 대칭이 깨진다. 이는 결국 전자의 스핀 방향을 정렬시켜 몰리브덴황이 자성을 띠게 만든다. 한 방향으로 회전하는 원자가 자기장과 같은 역할을 하게 되는 것이다.

이번 연구로 적외선처럼 에너지가 낮은 파장의 빛으로 전자의 스핀을 조절할 가능성이 입증됐다. 이는 전자의 스핀 방향만 조절해 신호로 이용하는 전자공학과 스핀트로닉스의 기반이 될 수 있다.

박노정 교수는 "모든 물질은 스핀이라는 '자석의 씨앗'을 가지며 스핀 방향을 나란히 정렬하면 자성을 띠게 할 수 있다"라며 "자기장이나 빛으로 직접 스핀을 조절하는 연구도 있었지만, 이번 연구에서는 원자를 춤추게 하는 간접적인 방법으로 전자의 스핀 방향을 정렬시킬 수 있음을 증명했다"고 말했다.

이어 그는 "전자의 스핀으로 신호를 만들면 전자를 직접 이동시키는 것보다 연산속도가 빠르고 저장용량이 크며 에너지 소비도 적은 전자소자를 만들 수 있다"라며 "이번 연구가 스핀트로닉스를 구현하는 물리학적인 기반이 될 것"이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 독일의 막스플랑크연구소와 공동으로 진행했다. 진호섭 UNIST 자연과학부 교수와 신동빈 UNIST 물리학과 대학원생도 참여했다. 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 12일자 온라인판으로 게재됐다.
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