과학기술정보통신부는 카이스트(KAIST) 이경진·김갑진 교수와 서강대학교 정명화 교수 공동연구팀이 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 밝혔다. 상온 환경의 양자역학적 스핀 펌핑 관측은 전세계 최초사례로 과기정통부는 차세대 전자 소자 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대했다. 

전자는 전기적인 성질인 전하와 자기적인 성질인 스핀을 동시에 갖고 있다. 물질 내에서 전자가 이동하는 현상인 전류는 전하 이동으로 발생하는 전하 전류와 스핀 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나눠지는 것으로, 우리가 사용하는 대부분의 전자기기는 전하 전류로 작동한다.

하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생한다. 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하를 발생시킨다는 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해 최근에는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구가 전세계적으로 진행되고 있다.

스핀 전류를 활용하는 ‘스핀트로닉스’에서의 핵심은 스핀 전류 생성으로, 스핀 전류 생성을 위한 여러 방법 중 하나로 스핀 펌핑이 연구되고 있다. 스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때 스핀이 세차운동에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상으로, 고전역학으로는 생성되는 스핀 전류의 크기가 작아 실제 전자 소자에는 활용이 제한됐다.

이번 연구는 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류 생성이 상온 환경에서 가능함을 입증해 스핀트로닉스의 가능성과 차세대 전자 소자(고효율 양자 스핀 소자) 개발의 지평을 넓혔다는 의미를 지닌다.

대부분의 양자역학적 현상이 극저온에서만 관측되는 것과 달리 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측하고 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시할 뿐 아니라, 스핀의 정적인 상태에 대한 연구를 넘어 자기적 상태가 변화하는 동적인 스핀 상태까지 확장함으로써 응용 영역의 확대도 기대할 수 있는 것이다.

정명화 교수팀은 2019년 자성박막에서의 스핀 상호작용에 대한 연구를 확장해 고품질의 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 제작했으며, 김갑진 교수 연구팀과 함께 자성박막의 독특한 특성을 활용해 큰 스핀 전류를 관측했다. 이경진 교수 연구팀은 이를 양자역학적 이론으로 해석하고, 추가적인 실험으로 증명해 ‘네이처’에 게재했다. 

공동 연구팀은 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용해 온 반면, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용하고, 동적인 스핀 상태까지 확장해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 의의가 있다”고 설명했다.