한국표준과학연구원(원장 박현민)은 양자기술연구소 양자스핀팀과 KAIST 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 처음으로 증명했다고 30일 밝혔다.

공동연구팀은 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체(서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체)에서 왼손 방향의 운동을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.

스핀들의 움직임을 나타내는 스핀파는 작동 주파수가 높은 영역에 분포하고 전력 소비가 매우 적어 초고속, 저전력 소자에 적용할 수 있다.  특히 스핀과 일렉트로닉스의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 것으로 전망된다.

스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어해 정보를 저장할 수 있어야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등 복합적이다.

예를 들어 주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 생기면 오른손 방향으로 도는 성질을 갖는다.

그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화(자성)는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질도 가질 수 있다. 1960년대에 준강자성체의 세차운동 이론이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐다. 하지만 현재까지 미시적인 수준에서 실험으로 관찰되지 못했다.

공동연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다.

이번 연구에서는 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했다. 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각 운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상 등도 새롭게 밝혀냈다.

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 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP), 한국연구재단 미래반도체 사업, 미래소재 디스커버리 사업의 지원을 받았다. 연구결과는 재료과학분야의 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials–IF: 38.887)에 30일 온라인 게재됐다.

용어설명
▲스핀(spin)
전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 자기모멘트회전(magnetic momentum)으로 스핀은 전하이동과는 다르게 이동이 아닌 제자리에서 회전하는 것이다.

▲스핀파(spin wave)
나노미터 크기의 작은 자석(스핀)들이 집단으로 움직여 만들어낸 파형

▲자화(magnetization)
자화는 자성을 갖는 물질 내에서 자기 쌍극자 모멘트(magnetic dipole moment)의 밀도

▲준강자성체 (ferrimagnet)
서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체.