국내 연구진, 세계 최초 '상온 양자역학 현상' 발견…네이처 게재

국내 연구진이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다.

과학기술정보통신부는 KAIST 이경진·김갑진 교수와 서강대 정명화 교수 공동연구팀이 극저온이 아닌 실온에서도 스핀 전류를 효율적으로 생성할 수 있음을 입증했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 네이처 최신 호에 29일(현지시간) 게재됐다.

'스핀트로닉스'는 전자의 자기적 성질인 스핀을 활용해 열 발생을 줄이고 더 효율적인 전자 소자를 개발하는 차세대 반도체 기술이다.

기존 전자기기는 전자의 흐름(전하 전류)으로 작동하지만, 이 과정에서 전자가 원자와 충돌하며 열이 발생해 전력 손실이 커지고 성능 저하로 이어지는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 전 세계 많은 과학자들은 전하 대신 전자의 스핀을 활용하는 기술인 '스핀트로닉스'를 연구해 왔다.

스핀트로닉스 기술의 핵심은 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 안정적으로 생성하는 것이다. 그중 대표적인 방법이 '스핀 펌핑'으로, 특정 물질에서 전자의 스핀을 조작해 전류처럼 흐르게 하는 기술이다. 이를 활용하면 전력을 적게 쓰면서도 발열을 최소화할 수 있어 고효율·저전력 반도체 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

공동 연구팀은 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 활용해 기존 대비 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 데 성공했다. 특히 대부분의 양자역학적 현상이 극저온에서만 관측되는 것과 달리, 이번 연구는 상온에서도 스핀 펌핑 현상을 관측해 주목받고 있다. 이번 연구는 정명화 교수팀이 2019년 발표한 자성박막 내 스핀 상호작용 연구를 기반으로 진행됐다.

공동 연구팀은 "기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 기반으로 했지만, 이번 연구는 양자적인 특성을 활용해 더 효과적인 스핀 전류 생성 방법을 제시했다는 점에서 의의가 크다"고 밝혔다.