국내 연구팀이 세계 최초로 상온에서 새로운 양자역학적 현상을 관측하는 데 성공했다. 기존 양자 기술의 한계를 극복할 실마리가 될 것으로 보인다.

과학기술정보통신부는 이경진 KAIST 반도체시스템공학과 교수·김갑진 KAIST 물리학과 교수·정명화 서강대 물리학과 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 밝혔다. 연구 결과는 최상위 국제 학술지 '네이처'에 30일 게재됐다.

전류는 물질 내에서 전자가 이동하는 현상을 말한다. 전하가 이동하면서 발생하는 전류를 '전하 전류', 스핀이 이동하며 발생하는 전류를 '스핀 전류'라고 한다. 전자는 전기적인 성질을, 스핀은 자기적인 성질을 말한다.

일상에서 사용하는 전자기기의 대부분은 전하 전류로 작동한다. 하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하면서 열이 발생하고 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다. 전 세계 물리학계가 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구, 이른바 '스핀트로닉스(spintronics)'에 도전하는 이유다.

연구팀이 세계 최초로 관측한 '스핀 펌핑'은 스핀트로닉스 기술을 구현하기 위한 핵심 요소로 불린다. 스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합할 때 자성체에 있던 스핀이 팽이처럼 빙빙 돌면서 비자성체로 이동하는 현상을 말한다. 이 과정을 통해 스핀 전류를 생성할 수 있다.

또 자성체 내에서 크기가 변화하는 스핀과 이에 의해 펌핑되는 스핀이 서로 ' 얽혀있다'는 점에서 양자역학의 기본 원리인 '양자얽힘'이 구현된 것이기도 하다. 양자얽힘은 고전역학으론 설명할 수 없는 물리적 현상으로, 얽힘 상태에 있는 입자는 공간적으로 떨어져 있어도 상호 의존한다.

지금까지 고전역학으로 생성한 스핀 전류는 크기가 작아 실제 전자 소자에 활용하기 어려웠다. 정명화 교수 연구팀은 고품질의 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 제작했다. 이어 김갑진 교수 연구팀과 함께 자성박막의 독특한 특성을 활용해 크기가 큰 스핀 전류를 관측하는 데 성공했다. 이경진 교수팀이 이를 이어받아 관측 결과를 양자역학적 이론으로 해석하고, 추가 실험으로 최종 증명했다.

이번 연구는 특히 극저온에서만 관측할 수 있었던 양자역학 현상을 상온에서 관측한데다, 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상 큰 스핀 전류를 생성하는 방법을 세계 최초로 제시했다는 점에서 의미가 크다는 설명이다.

공동 연구팀은 "기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용했지만, 스핀의 양자적인 특성을 활용할 때 더 효과적으로 응용할 수 있음을 이번 연구를 통해 증명했다"고 소감을 밝혔다.