성균관대 최경민 교수팀, 빛에 의한 초고속 스핀 생성 원리 밝혀내

[그림] 원형 편광 빛(빨간색 화살표)이 중금속(HM)에 흡수되어 전자의 스핀(파란색 화살표)를 만들고, 전자의 스핀이 자성체 (FM)에 흡수되어 자기 방향(녹색 화살표)을 움직인다.

성균관대학교(총장 신동렬) 에너지과학과 최경민 교수 연구팀이 고려대 이경진 교수 연구팀, 포항공대 이현우 교수 연구팀과 함께 금속 물질에서 빛에 의한 초고속 스핀 생성 원리를 실험적으로 밝혀냈다.

스핀은 전자가 가지고 있는 양자적 각운동량이다. 스핀을 생성하여 이동시키는 스핀전류는 스핀메모리 소자의 동작에 응용된다. 특히 차세대 메모리 소자로 각광 받고 있는 자기메모리(magnetic random access memory)의 초고속 동작을 위해 필수적인 요소이다.

지금까지 스핀전류 생성은 주로 전기적인 방법에 의해 연구되었다. 빛에 의한 스핀 생성은 반도체 물질에서 가능하다고 알려져 있지만, 반도체와 금속 자성체의 결합이 어려운 점이 한계였다. 금속 물질에서 빛에 의한 스핀전류의 생성이 가능해지면 자기메모리의 피코초(1조 분의 1초) 이하의 초고속 동작이 가능할 것으로 여겨진다.

연구팀은 플라티늄과 같이 스핀-궤도 결합이 강한 비자성 물질이 원형 편광 빛을 흡수하면 광배열원리(optical orientation)에 의해 빛의 각운동량을 전자의 각운동량으로 전환한다는 것을 실험적으로 밝혔다. 전자의 각운동량은 확산 및 계면 전기장 효과로 인하여 인접한 금속 자성체에 흡수된다. 연구팀은 이러한 빛에 의한 스핀의 생성, 이동 및 흡수의 과정을 결합하여 광학적 스핀-궤도 토크(optical spin-orbit torque)라고 명명하였다.

본 연구는 금속 물질에서 빛에 의한 스핀 생성의 원리를 제공하며 초고속 자기메모리 개발에 필요한 물리적 해석을 제공한다. 또한 테라헤르츠(THz, 1초당 1조 번 진동) 주파수 동작의 스핀 오실레이터 및 스핀 웨이브 소자의 특성 분석을 위한 중요한 방법론을 제시한다.

이 연구는 종합과학 분야 세계적인 저널인 Nature Communications에 3월 20일 온라인 게재되었다.

온라인 중앙일보

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