국내 연구진, 세계 최초 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상 발견

국내 연구진이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측하며, 기존 스핀트로닉스 연구의 한계를 넘어설 가능성을 제시했다.

과학기술정보통신부는 KAIST 이경진·김갑진 교수와 서강대학교 정명화 교수 공동 연구팀이 양자역학적 스핀 펌핑을 실험적으로 입증했다고 5일 발표했다. 연구는 과기정통부 기초연구사업(중견연구, 기초연구실) 등의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 네이처(Nature)에 1월 30일(현지시간 1월 29일) 게재됐다.

전자기기는 일반적으로 전하 전류를 활용해 작동하지만, 전자가 물질 내부 원자와 충돌하면서 발생하는 줄열(Joule heat)이 에너지 소모를 증가시키고 소자 효율을 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 전하 전류 대신 스핀 전류를 활용하는 ‘스핀트로닉스(Spintronics)’ 기술이 주목받고 있다.

스핀트로닉스를 구현하는 핵심 기술 중 하나는 스핀 펌핑(spin pumping)이다. 이는 자성체에서 스핀이 이동하며 비자성체로 전달되는 과정으로, 기존 방식은 고전역학적 세차운동을 기반으로 하지만 생성되는 스핀 전류의 크기가 작아 실용화에 한계가 있었다.

연구팀은 기존의 접근법을 넘어 양자역학적 스핀 펌핑을 활용하는 방식을 제안하고 실험적으로 입증했다. 이번 연구를 통해 자화 방향이 고정된 상태에서도 자화 크기의 변화만으로 강한 스핀 전류를 생성할 수 있음을 확인했다.

FeRh 합금 활용해 새로운 스핀 펌핑 메커니즘 증명
연구팀은 실험을 위해 철(Fe)과 로듐(Rh) 합금인 FeRh을 활용했다. 이 합금은 온도 변화에 따라 자기적 성질이 변하는 특성을 갖고 있어, 상온에서는 반강자성체(antiferromagnet)였다가 약 100℃에서 강자성체(ferromagnet)로 변하는 과정에서 스핀 전류가 급격히 증가하는 현상을 보였다.

이를 분석한 결과, 기존 방식과 달리 양자역학적인 교환 상호작용 변화가 스핀 전류를 생성하는 원인임을 확인했다. 연구팀은 이를 통해 기존 방식 대비 10배 이상 강한 스핀 전류를 생성할 수 있음을 입증했다.

양자 스핀 펌핑, 차세대 전자소자 개발 기여 전망
연구는 스핀트로닉스 연구가 기존의 고전역학적 해석을 넘어 양자역학적 접근이 필요함을 증명했다. 특히, 대부분의 양자역학적 현상이 극저온에서만 관찰되는 것과 달리, 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑이 발생함을 입증함으로써 실용화 가능성을 높였다.

공동 연구팀은 "스핀트로닉스 기술이 단순한 전자소자 응용을 넘어 양자 기술의 핵심 기반이 될 가능성을 제시한 연구"라며, "생성된 스핀 전류의 강도가 기존 대비 대폭 증가한 만큼, 차세대 전자 소자 및 양자컴퓨팅, 신소재 연구 등 다양한 분야에서 활용될 것"이라고 밝혔다.