차세대 메모리 반도체 개발에 쓸 새 이론 나왔다

연세대 김경환 교수-UNIST 박노정 교수
양자역학-상대성이론 간 계산 난제 극복

전자. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 연세대학교 물리학과 김경환 교수와 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박노정 교수팀은 전자의 '스핀'을 고체 속에서 더 정확하게 설명할 수 있는 새로운 이론인 '스핀-격자 상호작용(Spin-Lattice Interaction)'을 제시했다. 이 이론은 양자역학과 상대성이론 사이의 계산적인 어려움을 극복해 아주 작은 전자의 움직임을 더 잘 이해할 수 있다. 이로 인해 전자의 움직임 다루는 고체물리학 교과서를 다시 써야 할지도 모른다는 평가가 나온다.

김경환 교수는 8일 전자의 스핀을 이용하는 차세대 전자 소자 기술인 '스핀트로닉스'와 더 빠르고 효율적인 '차세대 메모리 반도체' 등 스핀 기반 전자 소자 설계에 기초 이론으로 널리 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

전자의 회전은 스핀(Spin)과 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum) 등 두 가지다. 스핀을 지구의 자전에 비유한다면 궤도각운동량은 태양을 도는 공전에 비유할 수 있다.

이 스핀과 궤도각운동량은 서로 영향을 주고받는데 이렇게 서로 묶이는 것을 '스핀-궤도 결합'(Spin-Orbital Coupling)이라고 부른다. 이 결합이 어떻게 되느냐에 따라 물질이 자석처럼 행동하거나 전기가 잘 통하는지 같은 중요한 성질들이 결정된다.

문제는 '스핀-궤도 결합'을 설명하는 것이 어려웠다는 점이다. 상대성이론과 양자역학이 서로 다른 규칙을 가지고 있어서, 이 두 이론을 동시에 써서 정확히 설명하기가 쉽지 않았다. 특히 고체 안에서는 전자가 움직이는 공간이 좁아서, '공전(궤도각운동량)'이라는 개념을 정확히 정의하기가 매우 어렵다는 것이었다.

연구진은 새로운 계산법이 정말 잘 맞는지 확인하기 위해 다양한 물질들에 직접 적용했다.

그 결과, 막대 모양의 도체나 납작한 부도체, 입체적인 반도체 같은 여러 종류의 물질에서 전자의 스핀이 어떻게 움직이는지, 또는 자석처럼 어떤 반응을 보이는지 등을 옛날 방식보다 훨씬 더 정확하고 빠르게 예측할 수 있다는 것을 알아냈다.

즉 이 새로운 이론은 궤도각운동량을 쓰지 않고 물질 내의 상대론적 효과인 스핀-궤도결합을 설명할 수 있었다.

한편 연구진은 이 새로운 이론을 물리학 최고 권위지인 '피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters)'에 발표했다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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